Реферат - Мембранные покрытия - файл n1.doc

Реферат - Мембранные покрытия
скачать (487.2 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc618kb.07.11.2011 14:57скачать

n1.doc



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.

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.




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

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.




Рис 2. Конструктивное 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.

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.



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

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.

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.

Внецентренносжатый наружный контур корытообразного поперечного сечения из листовой стали толщиной 6 мм с ребра­ми жесткости. После установки в проектное положение корыто заполняется бетоном марки М400. Внутренний контур имеет коробчатое поперечное сечение, развитое в горизонтальном и вертикальном направлениях. Он выполняется сварным из лис­товой стали. В соответствии с усилиями наружный и внутрен­ний контуры имеют переменное поперечное сечение. Оно мак­симально у концов длинной оси стадиона и минимально у кон­цов короткой оси.

Опирание наружного контура запроектировано в двух ва­риантах: с опорами, расположенными за пределами контура стадиона, и с опорами, сооружаемыми в створе крайней внеш­ней оси стадиона. Опоры из монолитного железобетона на мо­нолитных фундаментах и буронабивных сваях. Шаг опор 24 м.

Статической особенностью этой конструкции является то, что наружный и внутренний контуры соединены непрерывнымипрямолинейными затяжками, образуемыми мембраной и про­дольными стабилизирующими фермами. Этим обеспечивается малая изгибность контуров, так как их искривление лимити­руется удлинением затяжек.

Форма покрытия обеспечивает естественный сток воды с поверхности к концам длинной оси стадиона. Здесь вода пе­рехватывается водоприемниками со спуском в подтрибунное пространство.

Подвесной потолок создает комфортные акустические усло­вия, защищает зрителей от перегрева в солнечные дни.

Монтаж покрытия намечено было осуществлять следующим образом. Вначале монтируются наружный контур на постоян­ных опорах и внутренний контур на временных опорах. Затем поднимаются полосовые направляющие и крепятся к обоим контурам. Затем поднимаются и крепятся к направляющим и к контурам стабилизирующие фермы, которые совместно с на­правляющими образуют достаточно жесткую постель для рас­катывания рулонов, образующих мембрану. Рулоны поступают с завода-изготовителя максимально возможной ширины и рас­катываются по готовой постели. После сварки рулонов монтаж­ные опоры убираются. Наружный контур запроектирован та­ким образом, что он способен воспринять собственную массу мембранного покрытия до его обетонирования. Этим обеспе­чивалась определенная свобода сроков выполнения работ по бетонированию контура.

Покрытие сферической мембраной

Основное отличие этого варианта от предыдущего — в фор­ме поверхности мембраны. Контуры — наружный и внутрен­ний— расположены на постоянных отметках, и поверхность мембраны по всей площади имеет уклон от наружного контура к внутреннему. Конструктивно этот вариант покрытия решен так же, как и предыдущий. Отличие состоит в том, что контуры имеют постоянное поперечное сечение по длине. Вариант опирания наружного контура дополнен еще одним — с использованием для этой цели всех существующих опор, рас­положенных на внешней оси стадиона. При этом используемые для опирания покрытия колонны и фундаменты под ними под­вергаются усилению.

Вода с поверхности покрытий поступает в лоток, располо­женный в специально предназначенном для этого отсеке внут­реннего контура. Лоток имеет уклоны, благодаря чему вода стекает к серединам северной и южной трибун и отсюда отводится в подтрибунное пространство. В зимнее время отсек с лотком обогревается электричеством.

Монтаж покрытия осуществляется в том же порядке, что и при цилиндрической мембране. Несколько усложняется рас­крой рулонов, так как заготовки должны иметь трапециевид­ную форму.

Сталебетонная мембрана

Мембранное покрытие предложено шириной 60 м, при этом открытой остается средняя часть арены размером 120X177 м и площадь открытой части составляет 30% общей площади покрытия (поэтому покрытие в статическом отноше­нии рассматривается как мембрана с отверстием в средней час­ти). Мембранное покрытие закрепляется в наружном контуре, опертом на трубобетонные стойки высотой 10 м, расположен­ные над существующими колоннами наружной оси трибун с шагом 6 м.

Наружный опорный контур запроектирован в двух вариан­тах: с применением трубобетона и в виде стальной коробки, заполненной бетоном.

Внутреннее стальное кольцо, обрамляющее отверстие в мембране, совмещено с кольцевой галереей в виде жесткой ко­робки сечением 2X3 м, в которой размещены осветительная ап­паратура, телевизионные установки, громкоговорители и др. Несущая нижняя его часть запроектирована из листа толщи­ной 40 мм и шириной 3000 мм. Внутреннее кольцо монтирует­ся на отметке, превышающей пролетную на 3 м.

Верхняя часть кольца в период возведения разрезана на отдельные элементы, которые соединяются между собой в по­следнюю очередь (после опускания покрытия).

Кольцевая галерея соединена с существующими вертикаль­ными шахтами-лестницами четырьмя радиальными галереями, в которых предусмотрены электроосвещение, радиофикация, водоудаление с кровли и другие коммуникации. По радиальным галереям обслуживающий персонал попадает в кольцевую га­лерею. Кольцевая галерея и радиальные галереи представляют собой жесткую пространственную систему, стабилизирующую покрытие.

Для резкого уменьшения изгибающих моментов в процессе монтажа элементы мембраны раскатываются по радиально-кольцевой вантовой ; сетке (жестким вантам),, соединяющей кольца между собой.

Ванты запроектированы из швеллеров № 18, расположенных горизонтально ребрами вниз и связанных уголками, шаг меж­ду которыми 3 м.
Список литературы:

  1. Дыховичний Ю. А. Большепролётные конструкции сооружений Олимпиады -80 в Москве М; Стройиздат 1982.; 30-139 стр.

  2. Кирсанов Н. М. Висячие и вантовые конструкции- М; : Стройздат 1981.; 80-95 стр.

  3. 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.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации