Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Провисающие мембраны и оболочки вращения

Провисающие мембраны и оболочки вращения


Другой формой мембранных покрытий являются провисающие мембраны на круглом или эллиптическом плане. Они имеют положительную гауссову кривизну, довольно деформативны и часто требуют специальной стабилизирующей их конструкции.
На рис. 14.10 — покрытие Олимпийского универсального стадиона на проспекте Мира провисающей мембраной эллиптического в плане здания со стрелкой провеса в центре мембраны 12,5 м, что составляет 1/14,5—1/18 пролета. Мембрана выполнена в форме эллиптического параболоида из стали 14Г2 толщиной 5 мм и подкреплена радиально-кольцевыми направляющими, предназначенными для монтажной сборки мембраны без подмостей, а также для создания акустического подвесного потолка и пространства для размещения технологического оборудования. Радиальные направляющие элементы, состоящие из висячих ферм высотой 2,5 м, придают покрытию некоторую изгибную жесткость в радиальном направлении; кольцевые направляющие выполнены из прокатных элементов и полезны только во время монтажа. Мембрана по периметру закреплена в монолитном железобетонном опорном кольце с размером сечения 5x1,75 м. Кольцо бетонировали в металлической опалубке, включенной в работу кольца и опертой на колонны, расположенные по периметру покрытия с шагом 20 м. В средней части мембраны расположена плита размером 30x24 м, на которую устанавливали часть технологического оборудования. Плита выполнена из стального листа толщиной 8 мм, подкрепленного ортогонально расположенными балками двутаврового сечения, и окаймлена сварным двутавром. Мембрану собирали из ряда тонколистовых секторов длиной в среднем 90 м и шириной 10,4—1,7 м, которые сваривали на заводе и доставляли на строительную площадку в рулонах.
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Мембрану монтировали после монтажа колонн, металлической опалубки, бетонирования наружного опорного кольца и установки на временной опоре центральной плиты. В специальном кондукторе собирали блоки, состоящие из двух радиальных ферм, промежуточных элементов кольцевых ребер, части технологического оборудования (воздуховодов) с последующим их подъемом с помощью траверсы-распорки в проектное положение. После монтажа блоков и установки между ними недостающих элементов кольцевых ребер на образованную таким образом радиально-кольцевую сетку из направляющих укладывали лепестки мембраны. Отдельные лепестки объединяли в пространственную мембрану высокопрочными болтами.
Эллиптический план здания, принятый по архитектурно-планировочным соображениям, хотя и не внес существенных изменений в напряженно-деформированное состояние мембраны, тем не менее усложнил проектирование покрытия, изготовление и монтаж конструкций. По сравнению со зданием с круговым очертанием плана возросло число типоразмеров всех основных конструкций покрытия, а также узлов сопряжения отдельных элементов.
При компоновке покрытия большую роль играет выбор исходной геометрии покрытия, так как даже при одной и той же стрелке провеса мембраны, но в зависимости от различных очертаний меридиана сильно меняется распределение цепных усилий по поверхности мембраны, а также усилий в опорной конструкции.
В рассматриваемом покрытии форма мембраны была принята в виде эллиптического параболоида.
Для зданий круглого плана при равномерно распределенной по покрытию постоянной нагрузке равновесной формой мембраны будет параболоид вращения. Уравнение его поверхности
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Такая форма поверхности обеспечивает достаточно равномерное распределение радиальных и кольцевых усилий по поверхности мембраны при действии полной распределенной нагрузки, имеющей обычно решающее значение для прочности мембраны. Это позволяет делать всю мембрану постоянной толщины без излишних запасов прочности.
Стрелу провеса таких мембран принимают в пределах 1/15—1/20 диаметра покрытия, помня высказанное ранее замечание о работе изменяемых систем, — большую стрелу провеса брать при большем отношении постоянной нагрузки к временной и наоборот.
Покрытия рассчитывают по упругой стадии работы материала в несколько этапов. В начале производят по безмоментной линейной теории приближенный расчет мембраны, внутреннего и внешнего кольца на действие постоянной нагрузки и полного загружения временными нагрузками для первоначального определения сечения мембраны и ее колец. Затем производят уточняющий расчет, в котором необходимо учесть геометрическую нелинейность и пространственность работы системы, так как известно, что линейные расчеты идут в запас по усилиям и не в запас по перемещениям, а также учесть совместную работу наружного опорного кольца с оболочкой, так как это существенно снижает изгибающие кольцо моменты от неравновесных нагрузок. В качестве такого уточняющего метода расчета можно мембрану заменить пространственной шарнирно-стержневой системой, включающей оба кольца и колонны, на которые она опирается. Площадь сечения элементов стержневой системы определяют из условия эквивалентности деформаций и усилий стержневой ячейки и элемента оболочки. Полученную стержневую систему рассчитывают на ЭВМ с учетом геометрической нелинейности системы на действие постоянной нагрузки и нескольких вариантов вероятных равновесных и неравновесных временных нагрузок. По результатам расчета корректируют принятые первоначально сечения самой мембраны и колец, а также исходя из полученных деформаций выявляют необходимость устройства специальной стабилизирующей конструкции. Параллельно с уточняющим расчетом ведется расчет на действие усилий в элементах покрытия, возникающих в процессе его монтажа. Особенно опасны изгибающие моменты в наружном опорном кольце мембраны при несимметричной раскладке радиальных направляющих элементов по периметру покрытия. Несмотря на малый собственный вес этих элементов изгибающие моменты в кольце легко могут превысить аналогичные моменты, возникающие в нем во время эксплуатации покрытия. Увязка сечения кольца с рациональным методом монтажа покрытия — обязательный этап расчета. После внесения необходимых коррективов в конструкцию и сечения элементов покрытия проводится окончательный контрольный расчет всей системы покрытия на ЭВМ.
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Определение усилий в круглой оболочке, имеющей форму параболоида вращения (см. рис. 14.11), при расчете по безмоментной линейной теории удобно вести по методу, изложенному С.П. Тимошенко. Так, от осесимметричной нагрузки, расположенной на всей площади покрытия (см. рис. 14.11,а,б), определение усилий в оболочке можно вести по уравнению (Лапласа)
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Предварительно надо определить некоторые геометрические характеристики поверхности мембраны. Сечение поверхности, описываемой уравнением (14.3), вертикальными плоскостями, проходящими через ось oz, дает равные параболы. Так, пересечение плоскости xoz с поверхностью дает параболу z=f(x/a)2. Радиус кривизны этих парабол в вертикальной плоскости
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Угол между касательной к поверхности и горизонтом, а также угол между главной нормалью к поверхности и осью оz
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Радиус кривизны поверхности в кольцевом направлении
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Нормальная к поверхности мембраны составляющая внешней нагрузки
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Меридиональные усилия в мембране от равномерно распределенной по покрытию нагрузки (рис. 14.11, а) определяем из условия равновесия отсеченной горизонтальной плоскостью части мембраны
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Кольцевое усилие определяем из уравнения Лапласа, подставляя в него все определенные ранее величины,
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Для снеговой нагрузки, плавно увеличивающейся по интенсивности, от краев покрытия к середине (по рис. 14.11,б), нормальная к поверхности составляющая внешней нагрузки
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Меридиональные радиальные усилия в мембране можно определить из тех же условий, что и раньше,
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Формула для определения N2 (14.6) не меняется, но в нее должны быть подставлены новые значения N1 и р.
Для определения перемещений оболочки постоянной толщины δ воспользуемся уравнениями, приведенными в книге С.П. Тимошенко,
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Для параболоида вращения по уравнению (14.3) смещение оболочки по нормали w от действия равномерно распределенной нагрузки по рис. 14,11,а
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Наибольшее перемещение будет в середине оболочки при φ=0 - это прогиб середины оболочки
Провисающие мембраны и оболочки вращения

Рассмотрение результатов показывает, что усилия сильно изменяются по поверхности мембраны и сделать ее из листов одинаковой толщины уже не представляется возможным. Имея усилия в мембране, легко рассчитать ее опорное кольцо. Пользуясь полученными радиальными усилиями в мембране, по формуле (13.31) находят усилия в кольцах и по полученным усилиям подбирают сечения мембраны и колец. Однако при действии осесимметричной нагрузки на покрытие не удается выявить расчетный изгибающий момент, действующий в уровне мембраны на сжатое наружное опорное кольцо. Этот момент получают из уточненного расчета при действии на покрытие несимметричных нагрузок (например, неравномерное расположение снега на покрытии) и по нему ведется армирование сечения наружного железобетонного кольца. Размер этого момента является также критерием для проверки правильности принятого метода монтажа. Монтаж покрытия обычно ведется путем последовательной укладки радиальных направляющих элементов на центральную монтажную башню и на наружное кольцо.
Расчетной проверке подлежит также радиальный направляющий элемент, работающий во время монтажа как нить, закрепленная в среднем и наружном кольце покрытия (с опорами на разных уровнях) на действие собственного веса и веса лепестка мембраны, лежащего на этом элементе и не участвующего в работе до окончания монтажа мембраны и раскружаливания ее на центральной башне. Если радиальный элемент гибкий, то рассчитать его можно, пользуясь формулами (13.19 в), (13.21) и (13.26), если элемент изгибно-жесткий в виде висячей фермы или двутавра, то рассчитывать его следует по формулам данным далее.
По усилиям, полученным в этом расчете, подбирают сечение элемента с учетом, что в последующем весь элемент или только его верхний пояс будет работать в составе сечения мембраны и получит дополнительные усилия и напряжения от неучтенной в монтажном расчете части постоянной и временной нагрузки. Распор радиального направляющего элемента действует на среднее и наружное кольцо мембраны. Ho среднее кольцо к моменту монтажа радиальных элементов обычно бывает уже замкнуто лежащей на нем металлической плитой, образующей в последующем среднюю часть мембраны. Поэтому воздействие усилий радиальных элементов на него не вызывает в нем изгибающих моментов, а усилия растяжения существенно меньше, чем при эксплуатационной работе покрытия.
В совершенно других условиях работает наружное опорное кольцо. Воздействие радиальных ребер на него (особенно в начале их монтажа) представляет местное воздействие радиальной нагрузки, которое вызывает в нем изгибающие моменты, действующие в уровне покрытия. Эти моменты могут быть определены с использованием формул (13.32)—(13.37), и несмотря на сравнительно небольшие усилия воздействия радиального элемента на наружное кольцо, изгибающие моменты в нем могут достигать значительных размеров. Желательно принять такой порядок монтажа радиальных элементов, чтобы изгибающие моменты в кольце во время монтажа не превышали изгибающих моментов в нем же во время эксплуатации покрытия.
Полученные при уточненном расчете прогибы мембраны могут служить критерием необходимости устройства специальной, стабилизирующей мембрану конструкции. В покрытии Олимпийского универсального стадиона, по мнению авторов, стабилизирующая конструкция была не нужна и в работе мембраны был учтен только верхний пояс радиальной фермы (изгибная жесткость ее не была учтена). В покрытиях, показанных на рис. 14.12, их авторы посчитали необходимым принятие специальных мер по стабилизации покрытия.
Провисающие мембраны и оболочки вращения

На рис. 14.12, а показана сферическая мембрана покрытия универсального спортивного зала в Ленинграде из стального листа толщиной 6 мм, стабилизированная в середине покрытия тяжелой железобетонной плитой с размещенным на ней технологическим оборудованием. Дополнительно мембрана стабилизирована 56 специальными предварительно-напряженными тросовыми фермами, размещенными по радиусам. Верхним поясом ферм служит радиальный направляющий элемент мембраны, выполненный из швеллера. Нижний пояс ферм прикреплен к специальному кольцу диаметром 72 м, свободно подвешенному к мембране и устроенному для того, чтобы не передавать сосредоточенных усилий поясов ферм на мембрану.
На рис. 14.12,б показана коническая мембрана покрытия цеха металлоконструкций в Австрии. В этом покрытии мембрана стабилизирована весом мостовых кранов, одна из опор которых передает свои усилия в центр мембраны.
Рассмотрение различных методов стабилизации мембран позволяет сделать вывод, что наиболее рациональным следует считать устройство радиальных направляющих элементов в виде висячих ферм из прокатных профилей, удобных в производстве и монтаже и легко позволяющих получать необходимую жесткость покрытия изменением высоты ферм и сечений поясов.
Добавлено Serxio 16-02-2016, 22:58 Просмотров: 1 409
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent