Общие свойства металлических мембран
|
Наряду со свойствами, перечисленными ранее, присущими всем висячим оболочкам, металлические оболочки обладают рядом специфических свойств. 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, — весьма благоприятная конструктивная форма для использования положительных свойств металла — 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 аналогичных тросовых систем. 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 малодеформируемыми, даже не будучи предварительно напряженными. Исследования, проведенные в ЦНИИСКе, показали также, что жесткость мембранных покрытий (кроме цилиндрических), работающих в двух направлениях и воспринимающих сдвиговые усилия, существенно выше жесткости тросовых систем аналогичной формы. При постоянной нагрузке, близкой к снеговой, положение поверхности мембраны оказывается достаточно устойчивым практически при любом размещении на ней снега и специальная стабилизирующая конструкция оказывается не нужной. Основной недостаток мембран — большая поверхность тонкого металла, подверженного коррозии, если не принять соответствующих мер его защиты. И хотя местная коррозия для мембранных покрытий не очень опасна благодаря их огромной живучести из-за пространственной работы, мероприятия по уменьшению опасности коррозии при эксплуатации сооружений повышают расходы на покрытие. К недостаткам относится и малая огнестойкость тонких мембран. Испытания модели незащищенного мембранного стального покрытия, проведенные в 1978 г. ЦНИИСК им. Кучеренко совместно с ВНИИПО МВД России, показали, что предел огнестойкости составляет не менее 0,78 ч и для мембранных покрытий специальную защиту от огня часто можно не производить. Однако для некоторых сооружений предел огнестойкости мал и приходится применять специальные мероприятия по защите покрытия от огня, что, естественно, увеличивает стоимость покрытия. Конструкция мембраны обычно состоит из направляющих элементов, на которые при монтаже укладывают лепестки мембраны, заранее раскроенные в соответствии с формой мембраны, и прикрепляют к ним. 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—6 мм. Чтобы уменьшить опасность коррозии, лучше применять атмосферостойкую низколегированную сталь 10ХНДП типа «Кортен». Двукратная попытка применить для мембраны нержавеющую сталь ОХ18Т1 толщиной 2 мм положительного эффекта не дала из-за высокой стоимости этой стали, а также из-за непредвиденных осложнений, появившихся при использовании несущей оболочки в качестве кровли, с расположением утеплителя под оболочкой. Сварка тонких листов мембраны на направляющих в условиях монтажа приводит к появлению в мембране местных выпуклостей — хлопунов. При изменении температуры воздуха в этих местах происходит потеря местной устойчивости листов мембраны, сопровождающаяся хлопками. Явление это, помимо неприятного внешнего эффекта, чревато появлением усталостных явлений в мембране, а потому использование тонкой несущей мембраны в качестве открытой кровли едва ли целесообразно. Применение алюминиевых сплавов, имеющих высокие коррозионные свойства и прочность ряда сплавов, не уступающих прочности стали, позволяет в полной мере использовать преимущества мембранных конструкций, назначая их толщины с полным использованием расчетных сопротивлений материала. Однако широкому распространению мембранных покрытий из алюминиевых сплавов препятствуют их высокая стоимость, а также трудности сварки тонких алюминиевых листов. Стремление избежать трудности сварки привело к появлению новой конструктивной формы покрытия в виде провисающей оболочки, получающейся из плоской мембраны, образованной из переплетенных алюминиевых лент. Для соединения рулонов, образующих мембрану, на монтаже использовались все три вида соединений: сварка, высокопрочные болты и клепка. Наиболее прогрессивным, по-видимому, следует считать сварку, хотя большое количество монтажной сварки тонких листов, трудно поддающейся автоматизации, и необходимость ее контроля в неудобных условиях сильно уменьшают преимущества сварки перед соединениями на высокопрочных болтах. В качестве направляющих элементов мембраны чаще всего применяется крупноячеистая сетка из полосового и профильного металла, которая после выполнения монтажных функций включается в состав мембраны и часто служит для нее элементами жесткости и связей. Помимо прямых функций поддержания лепестков мембраны во время ее монтажа направляющие формируют поверхность мембраны. Прежде чем начать монтаж мембраны (из отдельных лепестков), монтируют сетку из направляющих и ее поверхность регулируют для придания будущей мембране заданной формы. Регулирование формы сетки легко осуществляется приданием нужной длины ее элементам специальными приспособлениями в месте присоединения элементов к опорной конструкции. Только после выверки формы поверхности сетки начинают сборку самой мембраны. Для некоторых типов покрытий возможна сварка мембраны внизу и подъем ее целиком. Существует также предложение изготовлять мембрану внизу плоской, а затем соответствующим пригрузом при работе материала пролетной части за пределом пропорциональности придавать ей необходимую форму. Экспериментально этот способ прошел проверку, при этом на круглом плане была достигнута ровная провисающая поверхность. На прямоугольном плане загрузка плоской мембраны приводит к потере устойчивости листа в угловых зонах и образованию складок, что нежелательно. Для висячих покрытий применяют мембраны весьма разнообразной формы. Ниже показаны примеры покрытий, которые отражают главные формы поверхности применяющихся покрытий металлическими мембранами. |
