Мембранные покрытия

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.

15

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

15

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.

1. КРЫТЫЙ СТАДИОН НА 45 ТЫС. ЗРИТЕЛЕЙ НА ПРОСПЕКТЕ МИРА

Комплекс крытого стадиона по своему функциональному содержанию разделен на пять зон. Центральная — с ареной, трибунами и вспомогательными помещениями для зрителей, гостей, комментаторов. Во второй зоне размещены вестибюль, гардероб и фоне для зрителей, пресс-центр, предприятия об­щественного питания (ресторан, кафе, столовая, пресс-бар). В двух других зонах находятся залы: хоккейный зал размером 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.

15

Рис 2. Конструктивное решение сооружения

15

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.

15

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

15

Об­щий весметалла (исключая арматуру внешнего опорного кон­тура), отнесенный к 1 м2 покрытия, около 70 кг.

С 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. Наиболее существенный недоста­ток — наличие больших изгибающих моментов в опорном кон­туре, особенно при несимметричных нагрузках, исчисляемых тысячами килоныотонов, для восприятия которых требуются большое развитие контура и чрезмерное насыщение его ар­матурой. Расч показали что вся экономия в материале, которая достигнута на собственно покрытии, утрачивается при выполнении контуров. 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 (см. табл. 4).

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.