Особливості мембранних покриттів
Опалення, водопостачання, каналізація
Сучасним тенденціям у галузі будівництва — збільшенню перельоту, що перекривається, і зниженню власне: маси конструкцій — найбільшою мірою задовольняють комбіновані (сталелізобетонні) висячі покриття, що складаються з тонколистової двовісно розтягнутої металевої прогонової конструкції та стисненого залізобетонного опорного контуру.
У цьому конструктивному рішенні найкраще використовуються механічні якості кожного матеріалу. Дійсно, сталь, що добре працює на розтягування, йде на виготовлення власне мембрани, від чого вага прогонової частини конструкції виявляється мінімальною. Інша, стисла частина конструкції - опорний контур - виконується в залізобетоні, що добре працює на стиск (нецентрене стиск).
Якщо традиційні покриття складаються з несучих конструкцій, що захищають, то в мембранах ці функції поєднані.
Робота сталевого листа мембрани у двох напрямках забезпечує можливість перекривати великі простори, і власна маса такої конструкції завжди буде меншою за масу конструкції площинної стрижневої системи.
Проектні опрацювання та дослідження показують, що завдяки двовісній роботі матеріалу тонким сталевим листом можна перекривати проліт 200 м при товщині мембрани всього 2 мм, тобто з витратою сталі на прогонову будову 16 кг/м2.
Сприйняття мембранами дотичних зусиль сприяє різкому зниженню згинальних моментів в опорному контурі, що вигідно відрізняє ці конструкції від дискретних. Поряд з малою витратою стали мембранні покриття мають підвищений запас міцності — локальні недосконалості конструкції та металу в мембранах не такі небезпечні, як у дискретних системах.
Мембрана, виготовленаіз звичайних сталей, що мають відносне подовження більше 18%, є практично неруйнівною конструкцією. Це зумовлено тим, що зі збільшенням навантаження різко зростає стріла провисання покриття і, отже, його здатність, що несе.
І, нарешті, велика перевага мембран при перекритті ними великих прольотів — можливість перенесення основних трудомістких процесів по зведенню покриття в заводські умови, де можуть виготовлятися сталеві полотна (500 м2 і більше), які в компактних рулонах доставляються на будівництво.
Ефективність мембранних покриттів, як зазначалося, у використанні залізобетону для опорного контуру. Раціонально запроектований опорний контур працює як позацентренно-стислий елемент з малим ексцентрицитетом нормальної сили, тобто як елемент, весь переріз якого стиснуто. Природно, що для таких елементів застосування залізобетону є дуже економічним.
У зв'язку з тим, що переріз опорного контуру в мембранних системах майже завжди визначається з умови міцності, а не стійкості, для нього вигідно застосовувати найвищі марки бетону. При цьому відсоток армування може бути мінімальним.
Опорний контур, як правило, є найдорожчим елементом конструкції. Вартість його становить понад 50% від загальної вартості несучої конструкції покриття.
Дослідження підтверджують високу економічність опорного залізобетонного контуру в порівнянні з рештою.
Зіставлення вартості матеріалів та порівняльна витрата їх відносяться до покриття круглої будівлі діаметром 40 м, проте зазначені в таблиці співвідношення справедливі і для великих прольотів.
Залізобетонний опорний контур має більший ступінь надійності, ніж металевий, у зв'язку з більш високою довговічністюматеріалу, масивністю та більшою жорсткістю перерізу.
До недавніх пір вважалося, що застосування тонколистових мембранних висячих покриттів раціонально лише при круглій формі плану, оскільки тільки в цьому випадку, при рівномірному зовнішньому навантаженні опорний контур працює на центральне стиск.
Проте теоретичні та експериментальні дослідження останніх років (В. І. Трофімов, І. Г. Людковський та ін.) показали, що облік дійсної спільної роботи мембрани з опорним контуром дозволяє отримати ефективні рішення мембранних покриттів за різних форм покриття в плані.
Деякі дослідники пішли далі і висунули ідею про безвигинність опорного контуру. Грунтуючись на експериментальних роботах з тонколистовими та мембранними покриттями, І. Г. Людковський показав, що гнучка полога, спочатку плоска мембрана, маючи обрамлення у вигляді замкнутого опорного контуру, при дії поперечного навантаження є слідкувальною системою, яка саморегулює і оптимізує напружений стан конструкції, викликаючи в контурі довільного контуру лише однозначні стискаючі напруги. Це положення справедливе для конструкцій, що мають опорний контур, що деформується.
Жорсткість контуру вирішальним чином впливає на розподіл зусиль у системі. Раніше під час проектування мембран опорний контур, у якому вони закріплювалися, як правило, приймався недеформованим. При цьому, природно, в ньому виникали великі згинальні моменти в горизонтальному напрямку у зв'язку з тим, що на жорсткий контур мембрана передає розпір великої величини (що обумовлено пологістю конструкції). Було помічено, що навіть мала податливість контуру різко знижує зусилля, що передаються на нього.
Стабільність контуру опорного контуру обумовлена тим, що пологуДвовісно напружену мембрану дуже важко продеформувати горизонтальними зусиллями через велику її жорсткість на розтяг і вигин у своїй площині. Опорний контур не має необхідної для цього енергії через свою обмежену згинальну жорсткість.
Криволінійний контур, наприклад еліптичний у плані, буде під навантаженням прагнути збільшення своєї великої осі. Але зміна його кривизни пов'язані з розтягуванням мембрани горизонтальними силами, які мають бути дуже великими у тому, щоб продеформувати жорстку мембрану. Такі сили можуть виникнути лише за дуже жорсткому контурі.
При прямокутних або багатокутних контурах зусилля перетікатимуть у кути.
В даний час ще не створено загальної методики розрахунку мембранних конструкцій з різноманітними планами. Вона дуже складна через фізичну та геометричну нелінійність конструкції.
Як правило, у різних ділянках мембрани може одночасно виникнути двостадійна робота: при криволінійних обрисах покриття – пластична робота в середній частині та пружна робота по периферії. При прямокутних обрисах, навпаки, найбільш напруженими мають бути кутові зони, у яких у міру зростання навантаження повинні виникати пластичні деформації, внаслідок чого із зміною навантаження розрахункова схема змінюватиметься. Тому поряд з теоретичними дослідженнями насамперед були проведені експериментальні.
Експериментальні дані та зазначені вище фактори дали І. Г. Людковському підставу для твердження, що пологі, спочатку плоскі тонколистові висячі мембранні конструкції, жорстко пов'язані по периметру з деформованим опорним контуром будь-якого контуру в плані, мають властивість під дією поперечного навантаження суттєво змінювати формуповерхні, не викликаючи при цьому значних деформацій опорного контуру та спотворень його первісного геометричного контуру в плані.
Іншими словами, було висловлено твердження, що опорний контур мембрани, контур якого може складатися з будь-якої кількості прямолінійних або криволінійних відрізків, пов'язаних між собою плавно, або з кутом перелому, мало чутливий до зміни навантаження на мембрані, причому будь-яке несиметричне навантаження на мембрані не викликає у ньому розтягуючих напруг. Такий напружений стан опорного контуру справедливо і у разі його спирання на рідко розставлені колони, наприклад, при спиранні прямокутного в плані контуру по кутах за умови прикріплення мембрани до кон-РУ нижче центру тяжкості його перерізу. У таких випадках напруги, що розтягують, в контурі від його вигину під дією власної маси погашаються завдяки ексцентричному додатку нормальної сили.
Таким чином, основні особливості роботи висячих мембранних систем порівняно, наприклад, з опуклими (позитивної гаусової кривизни) залізобетонними оболонками полягають у наступному: - опуклі оболонки мають постійне і заздалегідь задане обрис поверхні; тонколистові висячі покриття не мають постійного обрису - їх геометрія є функцією навантаження, тобто вони мають форму, що змінюється, що стежить за навантаженням; -- деформації опуклих оболонок дуже малі в порівнянні з основними розмірами, тому вони не враховуються; висячі мембранні покриття дуже деформативні (вплив пружних, пластичних та кінематичних переміщень); -- стріла підйому опуклих оболонок, як правило, приймається не менше Vs їх прольоту; провіси висячих мембран коливаються в межах '/50-V25 їхнього прольоту; опуклі оболонки не можуть бути такими пологими з-через втрату стійкості; -- деформації опорного контуру опуклих пологих оболонок несприятливо позначаються на їх надійності і можуть призвести до обвалення; у висячих покриттях деформації контуру збільшують здатність конструкції, що несе, в цілому.
Стабілізуючий вплив мембрани на контур дуже великий. Стабільність обрису опорного контуру, як зазначалося, обумовлена тим, що полога, двовісно напружена мембрана дуже слабко деформується під впливом горизонтальних зусиль через велику жорсткість на розтяг і вигин (у своїй площині). Внаслідок цього навіть гнучкий опорний контур може мати обмежені горизонтальні зміщення.
Велика перевага мембранних покриттів — вигідна геометрична форма, завдяки якій покриття в об'ємному компонуванні споруди описує функціонально необхідний простір, що дає можливість отримувати найменший у порівнянні з іншими системами покриттів об'єм споруди, скорочуючи таким чином експлуатаційні витрати на опалення, вентиляцію, кондиціювання.
Мембрани не вимагають спеціального протипожежного захисту, що зумовлено їх властивостями, які полягають у неможливості миттєвого обвалення під час нагрівання.
Монтажні з'єднання елементів мембран здійснюють на зварюванні, високоміцних болтах та заклепках.
Як основний матеріал для мембран зазвичай використовують маловуглецеву і низьколеговану сталь, проте при відповідних обґрунтуваннях застосовують нержавіючу сталь і алюміній.
Серйозна проблема у забезпеченні необхідної статичної роботи мембран – їх стабілізація. Як відомо, висячі покриття дуже деформативні і використання їх як покрівельне покриття вимагає спеціальної стабілізації поверхні.
Стабілізація можездійснюватися рядом конструктивних прийомів: введенням у конструкцію мембрани вантової попередньо напруженої системи, включенням в роботу мембрани спеціальних ребер, що мають згинальну жорсткість, створення необхідного привантаження мембранного покриття.
Дослідження показують, що в мембранах на круглому та овальному планах, коли власна маса в 1,5-2 рази перевищує снігове навантаження і мембрана жорстко з'єднана з контуром, положення поверхні виявляється досить стійким, де б не розміщувалося снігове навантаження.
При подвійному перевищенні власної маси над сніговим навантаженням, якщо край мембрани з'єднана з опорним контуром по всьому периметру, циліндричні поверхні покрівлі також досить стійкі.
Слід зазначити, що пріоритет у створенні мембранних конструкцій належить нашому співвітчизнику, видатному українському інженеру В. Г. Шухову, який на 1896 р. на Всесвітній виставці в Нижньому Новгороді перекрив сталевою мембраною центральну частину інженерно-будівельного павільйону діаметром 25 м.
Широке впровадження у будівельну практику легких утеплювачів, наявність потужних виробничих баз, що дозволяють основні трудомісткі процеси виготовлення конструкції перенести в заводські умови, створили передумови для різкого підвищення ефективності мембранних систем та зведення за останні роки ряду мембран для більшпрогонових покриттів. Таких, наприклад, як Палац спорту імені В. І. Леніна у м. Фрунзе та плавальний басейн у Харкові прольотами по 63 м, концертний зал у м. Сочі.
Найбільшою спорудою з мембранним покриттям, досвід зведення якого використаний у подальшому проектуванні та будівництві олімпійських споруд у Москві, став критий стадіон на 25 тис. глядачів, закінчений будівництвом1979 р. в Ленінграді (рис. 1.1). Критий стадіон здійснено за проектом ЛенЗНДІЕП. Колектив цього інституту своїми багаторічними дослідженнями та розробками зробив великий внесок у розвиток висячих багатопрогонових конструкцій.
Об'єм критого стадіону діаметром 160 м та висотою 39 м перекритий попередньо-напруженою сталевою висячою оболонкою — мембраною товщиною 6 мм. По зовнішньому контуру мембрана шарнірно кріпиться у 112 точках до збірно-монолітного залізобетонного опорного контуру.
У конструкції покриття вперше на практиці реалізований спосіб стабілізації тонких висячих мембран за допомогою попередньо-напружених вантів, розроблений та досліджений у ЛенЗНДІЕП.
Покриття монтувалося на проектній відмітці шляхом розкочування рулонованих елементів мембрани по допоміжній конструкції у вигляді радіально-кільцевої системи висячої.