Мембранные покрытия

Саратовский государственный технический университет

Кафедра: Промышленное и гражданское строительство

Реферат по дисциплине металлические конструкции на тему: Мембранные покрытия

Выполнил: студент гр.

                                                                                               ПГС-41

Проверил:                                                                                          

Саратов-2006

МЕМБРАННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Особенности мембранных покрытий

Современным тенденциям в области строительства — увеличению перекрываемого пролета и снижению собственной. Maссы 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.

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.