Особенности мембранных покрытий

Современным тенденциям в области строительства — увеличению перекрываемого пролета и снижению собственно: массы 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 вне-центренно-сжатый элемент с малым эксцентрицитетом 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.

Сопоставление стоимости материалов и сравнительный расход их относятся к покрытию круглого здания диаметром 40 м, однако указанные в таблице соотношения справедливы и для больших пролетов.

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 возникать 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 его 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 конту-РУ 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 (вледствие упругих, пластических и кинематических перемещений);
-- стрела подъема выпуклых оболочек, как правило, принимается не менее Vs их пролета; провесы висячих мембран колеблются в пределах '/50—V25 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 отопле* ние, 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 к 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. Коллектив этого института своими многолетними исследованиями и разработками внес крупный вклад в развитие висячих большепролетных конструкций.

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.

В конструкции покрытия впервые на практике реализован способ стабилизации тонких висячих мембран с помощью предварительно-напряженных вантов, разработанный и исследованный в ЛенЗНИИЭП.

Рис. 1. Конструктивное решение стадиона на 25 тыс. зрителей в Ленинграде
а — план покрытия; б — конструктивный разрез по зданию; 1 — колонны каркаса; 2 — трибуны; 3 — железобетонное опорное кольцо; 4 — тонколистовая мембрана толщиной 6 мм; 5 — стабилизирующие вантовые фермы; 6 — система прикрепления мембраны к опорному контуру; 7 — фонарная надстройка

Покрытие монтировалось на проектной отметке путем раскатывания рулонированных элементов мембраны по вспомогательной конструкции в виде висячей радиально-кольцевой системы.

Перечисленные выше преимущества мембранных покрытий: наилучшее, эффективное использование механических свойств материалов, применяемых для покрытия, — стальной листовой мембраны и железобетонного опорного контура, что создает предпосылки для минимального расхода материалов и, прежде всего, стали; совмещение в конструкции несущих и ограждающих функций, что упрощает общее решение покрытия; крупноблочный монтаж, обеспечивающий простоту и высокий индустриальный уровень монтажа; наряду с высокой надежностью такого типа покрытий, а также наличие серьезных экспериментально-теоретических исследований мембранных систем (активные экспериментально-теоретические исследования мембранных систем проводились в последние годы в ЦНИИСК им. Кучеренко под руководством д-ра техн. наук, проф. В. И. Трофимова) определили целесообразность их использования для крупнейших крытых сооружений 0лимпиады-80 — крытого стадиона на 45 000 зрителей на просп. Мира (пролеты 224x183 м), велотрека в Крылатском (пролеты 168X138 м), универсального зала в Измайлове (пролетом 72x66 м).