Мембранные покрытия

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. Небольшое разли

    в максимальных прогибах при осесимметричнойи односто­ронней нагрузках объясняется рядом факторов: работой мембра­ны на сдвиг, что отличает тонколистовые висячие оболочки от вантовых систем, в которых неравновесная нагрузка приводит к кинематическим перемещениям покрытия; достаточно большой долей равномерно распределенной нагрузки по отношению к об­щей нагрузке; существенным влиянием на прогибы обжатия опорного кольца и его температурных деформаций.

Определяющим загруженнем 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 кривизн оболочки. Ради­альные и кольцсиые 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.