Шатровые мембраны
|
Четвертой формой мембранных покрытий являются шатровые, круглые в плане. Поверхность шатрового покрытия обычно образуется вращением меридиональной параболы по уравнению (13.11) вокруг вертикальной оси. При компоновке покрытия возможны два варианта решения. 1. При желании иметь наружный водосток (см. рис. 14.15, а) параметры покрытия должны удовлетворять уравнению (14.1) и подбираются таким образом, чтобы периметральная часть мембраны имела уклон наружу. Получившаяся поверхность будет иметь отрицательную гауссову кривизну и будет внутренне стабилизирована. При этом все вертикальные нагрузки на покрытие будут передаваться на среднюю опору, увеличится высота помещения под средней частью покрытия, а чтобы высоту средней опоры не увеличивать чрезмерно, уменьшают стрелу провеса меридиана мембраны, что ведет к увеличению усилий в ней. 2. При устройстве водостоков из провисающей части мембраны (рис. 14.15,б) 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, второй вариант предпочтительнее. Учитывая высказанные выше соображения, стрелу провеса меридиана мембраны можно рекомендовать для варианта 1 в 1/20—1/25 половины диаметра покрытия, а для варианта 2 в 1/15—1/20 половины диаметра покрытия. 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 будет прикреплена мембрана. Это кольцо, обычно двутаврового или коробчатого сечения, работает на растяжение и на изгиб в горизонтальной плоскости от неравномерных загружений мембраны временной нагрузкой. Желая 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 1 варианту) нагрузку на покрытие, не могут быть маленькими, и его диаметр принимается в 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, при компоновке по варианту 2 усилия наклонны с небольшой вертикальной составляющей. 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 и 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 делаются 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 даже может получиться толщина мембраны, превышающая возможности ее рулонирования. Это повлияет на размеры среднего кольца и заставит не делать его слишком маленьким, что неудобно для внутреннего помещения. Шатровой мембраной покрыта закрытая автостоянка в Усть-Илимске (рис. 14.15, в). Круглое в плане здание диаметром 206 м перекрыто висячей мембраной шатрового типа из листовой стали класса С46/33. Толщина мембраны на большей части покрытия (около 90% площади) б мм, в средней части толщина увеличивается и в месте примыкания мембраны к среднему опорному кольцу доходит до 25 мм. Мембрана усилена системой радиальных и кольцевых ребер. Радиальные ребра расположены с шагом 12 м по наружному кольцу и выполнены из элементов таврового сечения, к которым снизу прикреплены напрягающие тросы. Кольцевые ребра из гнутого швеллерного профиля установлены с шагом 5 м. Смонтированная радиально-кольцевая сетка предварительно напрягалась для обеспечения жесткости системы на монтаже, и по ней раскатывали свернутые в рулоны трапециевидные стальные сварные полотнища, соединенные сваркой. Сварные швы расположены на радиальных ребрах — направляющих. Исходная геометрия мембраны принималась по кривым провисания радиальных направляющих элементов под действием их собственного веса и веса лепестка мембраны, опирающегося на этот радиальный элемент, действующих до объединения отдельных секторов в сплошную мембрану. Внутреннее растянутое металлическое опорное кольцо диаметром 18 м сварное, двутаврового профиля. Все вертикальные нагрузки на покрытие передаются через это кольцо на центральную опору, состоящую из 12 железобетонных стоек, объединенных ригелями на двух уровнях. Металлическое кольцо установлено на центральную опору через прокладку из низкофрикционного материала нафтлен, что обеспечивает его свободное горизонтальное перемещение при односторонних нагрузках. Наружное железобетонное кольцо диаметром 209 м, шириной 10 м и высотой 0,4 м опирается на П-образные железобетонные рамы. Сборно-монолитный опорный контур совмещен с покрытием кольцевой технологической пристройки. Шатровые мембраны также рассчитывают по упругой стадии работы материала и в несколько этапов. Первоначальный приближенный расчет шатровой мембраны на действие равномерно распределенной по горизонтальной проекции покрытия нагрузки можно вести по безмоментной линейной теории оболочек. Поверхность мембраны  образуется вращением параболы, имеющей уравнение (13.11) вокруг оси OZ (рис. 14.16). Угол φ касательной к меридиану поверхности с горизонтом, а также между главной нормалью к поверхности и осью OZ  Граница раздела оболочки на две части: внутреннюю, передающую свою нагрузку на центральную опору, и наружную периметральную, передающую свою нагрузку на нижнее кольцо и колонны, расположенные по периметру покрытия, — может быть определена из условия  Из этого уравнения получаем  Дальше рассматриваем отдельно внутреннюю и наружную части мембраны. Внутренняя часть мембраны при хв≤r имеет отрицательную гауссову кривизну. Нагрузка с площади ω1 (см. рис. 14.16) передается на центральную опору с помощью меридиональных усилий  Воспользовавшись уравнением Лапласа (14.4), определяем кольцевые усилия в мембране  где составляющая нагрузка, действующая нормально к поверхности,  Наружная часть мембраны при r≤хн≤а имеет положительную гауссову кривизну и более деформативна, чем верхняя. Теперь нагрузка с площади ω2 (см. рис. 14.16) передается уже на наружное кольцо с помощью меридиональных усилий  откуда  Значения нормальной составляющей нагрузки р и кольцевых усилий N2 можно определять по формулам для внутренней части мембраны. |
