ТЕМА 7. ОДНОПОЯСНЫЕ ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ И МЕМБРАНЫ

Однопоясными будем называть покрытия, в которых непосредственно на несущие гибкие металлические эле­менты (стержни или тросы) уложены плиты покрытия, несущие утеплитель и гидроизоляцию кровли. В боль­шинстве осуществленных покрытий применялись железо­бетонные или керамзитобетонные плиты. Все покрытия с железобетонными плитами обычно во время монтажа предварительно напрягались, швы между плитами замоноличивались, и покрытие превращалось в железобетон­ную предварительно напряженную висячую оболочку с несущей арматурой.

Разновидностью этой конструктивной формы явля­ются металлические оболочки-мембраны, в которых ме­таллические листы соединены на монтаже в единую ме­таллическую оболочку-мембрану. Последняя служит одновременно основанием для утеплителя и кровли, г. е. осуществляет одновременно несущую и ограждающую функции покрытия, чем выгодно отличается от других несущих систем.

Сравнительная простота этой конструктивной формы позволяет иметь небольшое число типоразмеров элемен­тов покрытия, что способствует их индустриальному из­готовлению и простому монтажу.

Пространственная работа покрытия значительно уве­личивает его жесткость, а совместная работа покрытия и опорной конструкции значительно облегчает работу конструкции. Эти преимущества данной конструктивной формы и определили ее широкое распространение

В настоящее время применяются покрытия, выпол­ненные с применением железобетона и изготовленные из металла.

7.1. ОДНОПОЯСНЫЕ ПОКРЫТИЯ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ПЛИТАМИ

К специфическим преимуществам покрытий с при­менением железобетона относятся их большая жест­кость по сравнению с металлическими оболочками большая огнестойкость и меньшие эксплуатационные расходы, а к недостаткам — большой собственный вес приводящий к повышенному расходу материалов на поддерживающую покрытие конструкцию.

Покрытие обычно состоит из плоских сборных керамзитобетонных или ребристых железобетонных плит заводского изготовления, уложенных на основные арма­турные стержни, замоноличенные и предварительно на­пряженные в процессе монтажа покрытия. Криволиней­ную поверхность из плоских сборных плит образуют швы замоноличивания.

В качестве высокопрочной арматуры в висячих обо­лочках чаще всего применяются стальные канаты и тросы. Они более удобны, чем другая высокопрочная ар­матура, используемая для предварительно напряженно­го железобетона, так как очень компактны, восприни­мают большие усилия и изготавливаются большой дли­ны, не требующей промежуточных стыков.

7.2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВИСЯЧИЕ ОБОЛОЧКИ-МЕМБРАНЫ

7.2.1. Общие свойства металлических мембран.

В металлических оболочках благодаря их малой толщине напряжения от изгиба пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями от их растяжения и обыч­но не учитываются в работе оболочки. Такие оболочки называют безмоментными, или мембранными. Металлическая мембрана, работающая на растяжение, пред­ставляет собой весьма благоприятную конструктивную форму для использования положительных свойств металла, в частности его высокой несущей способности при работе на растяжение. Именно поэтому мембранные покрытия экономичны по расходу металла на единицу перекрываемой площади и могут перекрывать большие пролеты. Кроме того, мембраны менее деформативны, чем аналогичные тросовые системы' Для оценки деформативности мембран большую роль играет такая, харак­теристика, как гауссова кривизна их поверхности.

В практике используются мембраны с цилиндричес­кой и конической поверхностью (имеющие нулевую га­уссову кривизну), различные формы провисающих поверхностей — сферическая, оболочки вращения (имею­щие положительную гауссову кривизну), шатровые и седловидные мембраны (имеющие отрицательную гауссову кривизну). Кинематический анализ показывает, что мембраны нулевой и положительной гауссовой, кривиз­ны работают подобно изменяемым системам, более деформативны и при некоторых видах нагружений, вызы­вающих в них сжимающие напряжения (например, вет­ровой отсос), могут потерять общую устойчивость.

Мембраны отрицательной гауссовой кривизны не могут потерять общую устойчивость, так как независи­мо от вида нагрузки и ее распределения всегда есть на­правления, в которых мембрана работает на растяже­ние. Поэтому такие покрытия оказываются малодсформируемыми, даже не будучи предварительно напряжен­ными.

Конструкция мембраны обычно состоит из направ­ляющих элементов («постели»), на которые при монта­же укладывают лепестки мембраны, заранее раскроен­ные в соответствии с формой мембраны. Эти лепестки прикрепляют к направляющим элементам. Лепестки мембраны сваривают на заводе, рулонируют и привозят на монтаж в виде готовых рулонов.

Материалом для мембран обычно служит листовая малоуглеродистая или низколегированная сталь толщи­ной 4—б мм. Чтобы уменьшить опасность коррозии, луч­ше применять атмосферостойкую низколегированную сталь типа 10ХНДП.

7.2.2. Цилиндрические мембраны.

Цилиндрические мембраны, применяемые для покрытия зданий прямо­угольного плана, относятся к изменяемым системам, и для уменьшения их деформативности в большинстве со­оружений устраивают дополнительную стабилизирую­щую их конструкцию. В качестве такой конструкции ча­сто используют направляющие с изгибно-жесткими эле­ментами; на них монтируют мембрану. Направляющие элементы при этом должны вместе с мембраной работать на местный изгиб, они могут сильно уменьшить кинема­тические перемещения и местные искривления мембра­ны.

7.2.3. Седловидные мембраны.

Третьей формой мем­бранных покрытий являются седловидные покрытия в виде гипаров. Поверхность гиперболического парабо­лоида имеет отрицательную гауссову кривизну. Эти по­крытия мало деформативны при действии неравновесных нагрузок и не нуждаются в специальной стабилизирую­щей конструкции.

Поверхность гипара (рис. 1) описывается уравне­нием

z = f _н (x/a) ² – f _c (y/b) ²

где f _н и f _c — стрелы провеса главной несущей (направляющей) и главной стабилизирующей (образующей) парабол, образуемых се­чением поверхности плоскостями ZOX и ZOY; а и b — полуоси по­крытия.

Поверхность гипара есть поверхность переноса, т. е. она может быть образована скольжением образующей параболы по направляющей параболе, причем обе эти параболы должны быть разных направлений — выпуклой и вогнутой. Известно, что парабола есть форма провиса­ния гибкой нити, на которую действует равномерно распределенная нагрузка.

Поверхность гипара как бы состо­ит из отдельных одинаковых (имеющих равные отноше­ния f/l²) параболических полосок, параллельных главным осям поверхности, и равномерно распределенная по поверхности нагрузка, параллельная оси OZ, будет дей­ствовать на эти полоски как на отдельные нити, вы­зывая в них одинаковые усилия. Таким образом, мембра­на в форме гипара является системой, для которой рав­номерно распределенная нагрузка будет равновесной и в которой от этой нагрузки будут равные усилия в каж­дом из направлений, параллельных главным осям поверхности. Это свойство поверхности гипара чрезвы­чайно удобно для металлических мембран, так как позволяет принимать одинаковую толщину мембраны по всему покрытию без излишних запасов прочности.

7.2.4. Шатровые мембраны.

К четвертой форме мем­бранных покрытий относятся шатровые, круглые в пла­не покрытия. Поверхность шатрового покрытия обычно образуется вращением меридиональной параболы по уравнению вокруг вертикальной оси.

При компоновке покрытия возможны два варианта решения.

1. При желании иметь наружный водосток параметры покрытия должны удовлетворять уравнению и подбираются таким образом, чтобы периметральная часть мембраны имела уклон наружу. Образовавшаяся поверхность получит отрицательную гауссову кривизну и будет внутренне стабилизирована. При этом все вертикальные нагрузки на покрытие будут передаваться на среднюю опору, а высота помещения под средней частью покрытия увеличится. Чтобы высоту средней опоры не увеличивать чрезмерно, уменьшают стрелу провеса меридиана мембраны, что ведет к увеличению усилий в ней.

2. При устройстве водостока из провисающей части Мембраны можно снизить высоту средней опоры и увеличить стрелу провеса меридиана мембраны. Оба эти мероприятия уменьшат усилия в средней опоре и в самой мембране, а также несколько нагрузят колон­ны, расположенные по периметру покрытия, но одновре­менно усложнят устройство водоотвода. В этом случае поверхность покрытия будет иметь в средней части отри­цательную, а в периметральной — положительную гаус­сову кривизну, что может потребовать специальных устройств по стабилизации покрытия.

Выбор того или иного варианта компоновки зависит от конкретных условий объекта, но для больших покры­тий расположенных в районах с большой снеговой на­грузкой, вариант 2 предпочтительнее. Учитывая выска­занные выше соображения, стрелу провеса меридиана мембраны можно рекомендовать равной 1\20-1\25 поло­вины диаметра покрытия для варианта 1 и 1/15-1/20 поло­вины диаметра покрытия для варианта 2.

Устройство покрытия начинается с устройства сред­ней опоры, которая обычно представляет собой либо тол­стостенную железобетонную трубу большого диаметра либо куст железобетонных стоек, связанных между собой обвязками. На верхнюю обвязку железобетонной опоры укладывается металлическое кольцо, к которому при­крепляется мембрана. Это кольцо, обычно двутаврового или коробчатого сечения, работает на растяжение и на изгиб в горизонтальной плоскости от неравномерных загружений мембраны временной нагрузкой. Чтобы уменьшить неравномерность работы мембраны от дей­ствия неравномерных нагрузок, кольцо иногда ставят на скользящие опоры, которые позволяют ему перемещаться относительно центра железобетонной опоры и тем са­мым несколько выравнивать работу мембраны, а также уменьшать изгибающие моменты в самом кольце. Рабо­та кольца локализует восприятие горизонтальных составляющих усилий в мембране плоскостью самого кольца. Помимо этого кольцо воспринимает и вертикаль­ные составляющие усилий в мембране и передает их на железобетонную опору. Размеры кольца, воспринимающего почти всю (или всю при компоновке по варианту 1) нагрузку на покрытие, не могут быть маленькими, и его диаметр принимается равным 1/15-1/20 диаметра покрытия.

Наружное железобетонное кольцо покоится на колон­нах и работает главным образом на сжатие от цепных усилий в мембране. При компоновке покрытия по вари­анту 1 эти усилия горизонтальны, а при компоновке па варианту 2 — наклонны и имеют небольшую вертикаль­ную составляющую. На эти усилия и работает наружное кольцо.

После устройства опорных колец идет навеска ради­альных и кольцевых направляющих элементов мембра­ны. Радиальные элементы для удобства монтажа долж­ны обладать известной вертикальной жесткостью н быть изогнуты по кривой меридиана оболочки. Сечение их принимают в виде тавра или двутавра с широкой верхней полкой, на которой будут стыковаться лепестки мембраны. Расстояние по периметру между радиальны­ми элементами определяется шириной лепестка мембра­ны и доходит до 12 м.

Кольцевые направляющие элементы обычно выполня­ются из швеллеров, расположенных стенкой вдоль поверхности мембраны для удобства укладки на них лепе­стков мембраны.

После образования сетки из направляющих ее по­верхность выверяется и начинается раскатывание по ней лепестков мембраны из рулонов с последующим их за­креплением сваркой или высокопрочными болтами. При устройстве мембраны могут возникнуть неудобства из-за разной толщины мембраны по длине лепестка (вдоль ме­ридиана). В этом случае каждый сектор мембраны при­ходится делать по длине из нескольких рулонов с раз­личной толщиной мембраны, а у среднего опорного кольца толщина мембраны может даже превышать воз­можности ее рулонирования. Это повлияет на размеры среднего кольца и заставит не делать его слишком маленьким, что неудобно для внутреннего помещения.

7.2.5. Конструктивные решения.

В однопоясных ви­сячих покрытиях с железобетонными плитами и мембра­нами наибольший интерес представляют узлы примыка­ния несущей конструкции к среднему кольцу в круглых покрытиях, узлы сопряжения железобетонных плит с не­сущими тросами и узлы примыкания пролетной несущей конструкции к внешней опорной конструкции.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: