Алюминиевые конструкции, совмещающие несущие и ограждающие функции
|
К числу алюминиевых конструкций, выполняющих одновременно несущие и ограждающие функции, обычно относят: кровельные и глухие стеновые панели; блоки покрытий с предварительно-напряженными обшивками; пространственные конструкции покрытий зданий; емкости для хранения, переработки и транспортирования жидкостей и газов (резервуары, газгольдеры, продуктопроводы и т. п.). Для конструкций этой группы, так же как и для ограждающих конструкций, особенно большое значение имеет коррозионная стойкость материала. Панели Различают каркасные и бескаркасные алюминиевые панели. Бескаркасные панели обладают сравнительно небольшой несущей способностью и чаще используются как стеновые. Устойчивость обшивок из тонких алюминиевых листов обеспечивается благодаря приклеенному (или припененному) к ним слою утеплителя, обладающего необходимой жесткостью. Бескаркасные алюминиевые панели изготовляют, как правило, на специализированых заводах, с использованием соответствующего оборудования, обеспечивающего высокую производительность и качество продукции. Так, на Воронежском заводе строительных алюминиевых конструкций им. Ф.Б. Якубовского налажено массовое производство стеновых панелей трехслойной конструкции с заполнением пенополиуретаном между двумя алюминиевыми листами. Панели выпускаются двух основных типов: рядовые (ПР) и угловые (ПУ) длиной 2,4—7,2 м, толщиной 35, 50 и 80 мм. В отдельных случаях панели приходится проектировать исходя из предъявляемых к ним конструктивных и эксплуатационных требований. Показателен пример использования специально разработанных панелей бескаркасного типа в здании для установки оптического телескопа, построенного в 1975 г. в горах Северного Кавказа, на высоте более 2000 м. Проект разработан в ЦНИИПСК. Здание представляет собой башню, перекрытую вращающимся куполом. Диаметр круга катания этого, не имеющего себе равного в мире купола подобного назначения 44,2 м, а высота вместе с забралом 30,6 м. Забрало закрывает смотровую щель шириной Ими длиной более 40 м (по сфере). Несущие конструкции выполнены из стали марки 10Г2С1. Малейшие колебания воздуха, создаваемые тепловыми потоками внутри здания, являются помехами при наблюдениях. Поэтому ограждающие конструкции запроектированы в виде двух сферических оболочек, отстоящих на 1,5—2 м одна от другой. Чтобы снизить массу ограждающих конструкций, панели, из которых образуются оболочки, приняты облегченными; пенопласт ПХВ-1 между двумя листами алюминия марки АМг2П толщиной 2 мм. Наружная оболочка, обеспечивающая защиту от солнечной радиации и предотвращающая нагрев несущих металлических конструкций купола, запроектирована из панелей с толщиной пенопласта 60 мм. Панели внутренней оболочки, служащей теплоизоляционным ограждением под-купольного пространства, имеют толщину 110 мм. Масса панелей составляет в среднем 22 кг/м2. В стеновых панелях нижней (башенной) части здания слой пенопласта принят равным 140 мм, а листы δ=1,5 мм. Окаймляющие ребра панелей сделаны из бакелизированой фанеры, что гарантирует от возникновения мостиков холода. Кроме глухих панелей, в этой части здания использованы панели с окнами, переплеты которых изготовлены из сплава АД31Т1. Такое решение в условиях высокогорного строительства позволило получить существенный экономический эффект, по сравнению с обычным решением стен, которые исходя из теплозащитных свойств должны иметь толщину: 1000 мм — кирпичные, 600 мм — керамзитобетонные. Несущие и ограждающие конструкции забрала выполнены из алюминия. Основная часть забрала состоит из двух сварных сплошностенчатых двутавровых балок криволинейного очертания и опирающихся на них ферм из труб. Панели ограждения крепятся к прогонам из прессованных двутавров с полками, усиленными бульбами. Все заводские соединения алюминиевых конструкций выполнены ручной аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом, монтажные соединения на стальных кадмированных болтах. Каркасные панели обладают большей несущей способностью, чем бескаркасные. Их конструктивное решение может быть весьма различным. Обшивка таких панелей выполняется из плоских или профилированных листов. Особый интерес представляют панели с обшивками из тонких листов, способных работать на сжатие благодаря предварительному напряжению. Известно несколько способов создания предварительного напряжения обшивок: распорный, изгибный, линейный. Панели, напрягаемые распорным способом, состоят из ячеек, в центре каждой из которых имеется болт. Напряжение обшивок осуществляется ввинчиванием болта, распирающим обшивки, или завинчиванием гайки, в результате чего обшивки сближаются (рис. 12.8). Примером конструктивного решения, в котором использован распорный способ, являются панели стенового ограждения Якутской ГРЭС (рис. 12.9), а также Билибинской АЭС.  Каркас такой панели состоит из уголков 30x30x2,5 мм (сплав АВТ), соединенных между собой листом бакелизированной фанеры 130x10 мм. По длине панель делится поперечными ребрами того же сечения, что и каркас на четыре квадратных ячейки. В центре каждой ячейки имеется стяжное устройство, с помощью которого в обшивках из листа толщиной 1 мм (сплав АМгМ) создается предварительное напряжение растяжения. Все соединения — клеезаклепочные. В качестве утеплителя использованы полужесткие минераловатные маты. Расход алюминия 7,9 кг/м2. Распорный способ напряжения тонких листов получил дальнейшее развитие при напряжении мембранных панелей, укладываемых по структурным конструкциям. Предварительное напряжение создается с помощью стоек, упирающихся одним концом в нижние узлы структуры и имеющих на другом конце болтовое устройство. При вывинчивании болта из гайки, закрепленной на стойке, лист кровли подпирается и в нем возникают растягивающие напряжения. Такая конструкция была использована в покрытии Дворца спорта в Иркутске. При изгибном способе натяжения обшивки листы прикрепляются к элементам каркаса, заранее изогнутым в разные стороны (рис. 12.10,а). Затем полупанели выпрямляют и соединяют решеткой. При этом в листах обшивок возникают растягивающие напряжения (рис. 12.10,в), размер которых зависит от степени начального выгиба элементов каркаса, их жесткости и толщины листов обшивки. Чтобы лучше использовать материал, верхнюю и нижнюю полупанели следует делать различной жесткости, а для уменьшения прогиба панелям можно придавать строительный подъем. Конструкция панели, напрягаемой изгибным способом, показана на рис. 12.11. Фермочки в торцах панели служат для восприятия усилий распора в листе обшивки. Решетка, соединяющая полупанели, из стальных уголков, обладающих меньшей теплопроводностью, чем алюминиевые, крепится к элементам каркаса на болтах. Для разрыва мостиков холода между уголками и элементами каркаса поставлены прокладки из прессованного картона, обе стороны которых смазаны эпоксидным клеем, что препятствует контакту между сталью и алюминием. Внутри панели укладывается эффективный теплоизоляционный материал.  Алюминиевые кровельные и стеновые панели с обшивками, напряженными изгибным способом, впервые были применены при строительстве здания ТЭЦ Байкальского целлюлозно-бумажного комбината. Применение на этом объекте 20 тыс. м2 кровельных и 6 тыс. м2 стеновых панелей позволило существенно снизить массу ограждающих конструкций, что, в свою очередь, привело к уменьшению расхода стали на несущие конструкции на 550 т, к снижению транспортных расходов и сокращению объема строительно-монтажных работ. Позднее панели такой же конструкции, в еще большем объеме, были применены на строительстве зданий Селенгинского целлюлозно-картонного комбината. При линейном способе натяжение обшивок осуществляется при помощи домкратов или каких-либо других приспособлений. Представляет интерес способ, разработанный в ЦНИИСК им. Кучеренко и получивший название способа щеколды. Сущность его заключается в следующем: нижняя обшивка прикрепляется к элементам каркаса заранее; верхняя обшивка крепится первоначально только к торцовым фермочкам; при сборке одна из этих фермочек соединяется раскосами с элементами нижней полупанели, другая вследствие разности длин обшивки и элемента верхней полупанели оказывается в наклонном положении. При нажиме эта фермочка приводится в горизонтальное положение и закрепляется раскосами, при этом верхняя обшивка оказывается напряженной (рис. 12.12).  Расход металла в кровельных панелях такой конструкции размером 12X3 м, рассчитанных при нормативной снеговой нагрузке 1 кH/м2, составил: 12,6 кг/м2 площади пола, в том числе алюминия (марки AB) 8,6 кг и стали 4 кг. Для панелей 18х3 м при той же нагрузке не намного больше — всего 17 кг/м2 (соответственно 10 и 7 кг). Блочные конструкции с предварительнонапряженными обшивками Дальнейшее увеличение пролета панели привело к созданию блоков для покрытий средних и больших пролетов. По характеру работы блоки с предварительно-напряженными обшивками существенно отличаются от обычных систем с жестким настилом. Основными особенностями их работы являются: включение тонколистовых обшивок в работу продольных элементов каркаса и геометрическая нелинейность напряженного состояния, обусловленная развитием цепных усилий в верхней обшивке при действии на нее поперечной нагрузки. Первые блоки из алюминия пролетом 30 м были использованы в покрытии выставочного зала Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС). В 1978 г. было завершено строительство Ледового дворца в Москве, где применены блоки пролетом 60 м (рис. 12.13). Расход алюминия в конструкциях покрытий этих сооружений составил соответственно 13 и 20,5 кг/м2.  Транспортирование большеразмерных конструкций с завода на строительную площадку вызывает значительные трудности, поэтому блоки приходится членить на отправочные элементы. По способу членения на элементы заводского изготовления блочные конструкции могут быть условно разделены на просто блочные (или собственно блочные) и панельно-блочные. Блочные конструкции представляют собой пространственный каркас с обшивкой из рулонированных листов, натяжение которых осуществляется на монтажной площадке. Каркас блока образуется двумя продольными фермами, поперечными ребрами, устанавливаемыми в уровнях поясов ферм, и вертикальными связями. Функции горизонтальных связей выполняют сами напряженные обшивки. Нижней обшивки может и не быть. Однако устройство ее целесообразно, особенно если в межферменном пространстве имеются различные коммуникации, которые следует закрыть. По нижней обшивке удобно укладывать утеплитель. Подвесной потолок уменьшает отапливаемый объем здания. Создание предварительного напряжения в нижней обшивке необходимо для более равномерного включения ее в совместную работу с нижними поясами ферм на действующие нагрузки, а также для выравнивания поверхности потолка. Усилия тяжения обшивок передаются на пояса ферм через горизонтальные фермочки, установленные по торцам блока. Поперечные ребра в уровне поясов ферм служат промежуточными опорами для обшивок при работе их на поперечные нагрузки. Совместная работа обшивок с поясами ферм и поперечными ребрами обеспечивается соответствующими креплениями. Продольные усилия в стержнях ферм от внешних нагрузок определяются обычным способом. Моменты в поясах от вертикальной составляющей местной нагрузки определяются как в неразрезной балке, при этом характер распределения нагрузки на участках между узлами ферм устанавливается по грузовым площадям. Горизонтально действующие нагрузки (цепные усилия), приложенные к поясам ферм двух соседних блоков, взаимно уравновешиваются. В крайней ферме торцового блока влияние этой нагрузки вызывает изгиб пояса в горизонтальной плоскости, что должно быть учтено расчетом. Панельно-блочная конструкция состоит из предварительно-напряженных панелей (обычно заводского изготовления), соединенных элементами решетки и поперечными связями. Пространственные конструкции Пространственные конструкции покрытий зданий, в которых несущие и ограждающие функции совмещены, могут быть чрезвычайно различны по своей форме и конструктивному решению. Однослойные (неутепленные) покрытия полигонального очертания из гнутых алюминиевых листов разработаны в УкрПСК и применяются для складов, мастерских и других зданий. При транспортировании секции складываются в компактные пакеты. Сборка осуществляется на стальных оцинкованных болтах. Расход алюминия при пролетах здания 12, 18 и 24 м соответственно 9,3, 11,4 и 14 кг/м2 перекрываемой площади. Купольные и сводчатые покрытия, монтируемые на болтах, из многократно повторяющихся ромбовидных панелей (рис. 12.14), согнутых из алюминиевых листов толщиной 2—4 мм. Так, в покрытии лабораторного корпуса, запроектированного в виде купола диаметром 76 м в основании и высотой 16,7 м, примерно семь типоразмеров панелей. Расход металла составил менее 18 кг/м2 перекрываемой площади. Работа по совершенствованию конструкций куполов из ромбовидных элементов проводится в ЛенЗНИИЭПе. Покрытия сводчатого очертания из ромбовидных элементов отличаются от купольных значительно большей повторяемостью элементов. Разработку и исследование таких конструкций ведет РИСИ. Емкости Емкости для хранения, переработки и транспортирования жидкостей и газов также могут быть отнесены к категории конструкций, совмещающих несущие и ограждающие функции. В связи с бурным развитием нефтегазовой и химической промышленности потребность в резервуарах, газгольдерах, продуктопроводах и других подобных конструкциях непрерывно возрастает.  Стальные конструкции при наличии агрессивной среды оказываются весьма недолговечными. Например, средний срок эксплуатации резервуара, имеющего верхние листы корпуса из стали δ=4 мм и кровлю δ=2,5...3 мм, при хранении нефти с высоким содержанием серы не превышает шести лет. Поэтому начиная с 1959 г. в России осуществлялось строительство биметаллических резервуаров с кровлей и верхним поясом из сплава АМг. Соединение алюминиевой части со стальной — фланцевого типа на болтах, с изолирующей прокладкой между фланцами. С началом интенсивной добычи нефти в труднодоступных восточных и северных районах страны проблема борьбы с коррозией стальных резервуаров приобрела еще большую остроту в связи с высоким содержанием серы в добываемой там нефти, а также крайне неблагоприятными условиями эксплуатации: заболоченность местности, обильные осадки, низкие температуры. Как показали исследования замена в этих условиях стальных резервуаров алюминиевыми приводит к снижению массы конструкций на 30—60%, стоимости транспортирования на 25—50%, при резком снижении эксплуатационных расходов и увеличении межремонтного периода в 4—8 раз. Последнее обстоятельство имеет особенно важное значение для эксплуатации сооружений в отдаленных районах страны. За последние годы возросла потребность в изотермических резервуарах для хранения сжиженных газов, многие из которых агрессивны в отношении к обычным строительным сталям. Применение алюминия для внутренней оболочки такого резервуара оказывается особенно эффективным, исходя из коррозионной стойкости и надежности материала при низких температурах хранения продукта. Нетоксичность алюминия позволяет применять его в конструкциях емкостей для хранения зерна и других пищевых продуктов. |
