Цилиндрические мембраны
|
Цилиндрические мембраны, применяемые для покрытия зданий прямоугольного плана, являются системами изменяемыми, 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 ней монтируют мембрану. Направляющие элементы при этом должны вместе с мембраной работать на местный изгиб, они могут сильно уменьшить кинематические перемещения и местные искривления мембраны. Одним из примеров применения цилиндрических мембран может служить покрытие размером 42,5х65 м Дворца спорта имени В. И. Ленина во Фрунзе (рис. 14.8). Цилиндрическая мембрана толщиной всего 2 мм из нержавеющей стали ОХ18Т1 является одновременно и кровлей (утеплитель помещен под мембраной). Она стабилизирована направляющими из прогонов-швеллеров № 27, расположенных на расстоянии 3 м один от другого и скрепленных с металлическими сварными поперечными балками высотой 1 м, расположенными на расстоянии 12 м одна от другой, служащими одновременно сейсмическими распорками между продольными стенами здания. Расстояние между прогонами может быть определено из условия работы мембраны вдоль образующей покрытия как гибкой, закрепленной на прогонах пластинки, воспринимающей временную вертикальную нагрузку. Кривая провеса мембраны должна быть выбрана по веревочной кривой от постоянной нагрузки по уравнению (13.6) из условия, чтобы постоянная нагрузка была равновесной. (В показанном на рис. 14.8 покрытии постоянная нагрузка на нем была неравномерно распределена по длине здания и кривая провеса не приводится.) Цепные усилия мембраны воспринимают полосы-подборы, расположенные у торцов здания, из стали Ст3, размером 4000х20 мм. Подборы работают на растяжение и передают свои усилия в углы здания, сжимая железобетонную опоясывающую покрытие опорную конструкцию. Такая компоновка конструкций прямоугольного покрытия позволила локализовать восприятие горизонтальных усилий мембраны в уровне покрытия, не передавая их на нижележащую конструкцию. Одновременно была использована наивыгоднейшая работа материала элементов покрытия — металла мембраны и подборов на растяжение, бетона опорной конструкции на сжатие. Однако наличие мощных поперечных распорок-балок, желательных с точки зрения сейсмостойкости здания, усложнило без необходимости работу мембраны. При отсутствии этих распорок-балок конструкция покрытия была бы проще, полнее реализовала бы основной принцип висячих покрытий — металл должен работать только на растяжение, хотя, вероятно, пришлось бы несколько увеличить сечение продольных прогонов постели. Изибная жесткость таких прогонов нужна только для стабилизации покрытия и зависит от соотношения постоянной и временной нагрузки — чем больше постоянная и меньше временная нагрузки, тем меньшая изгибная жесткость нужна для стабилизации покрытия. Пространственность работы цилиндрических мембран сказывается слабо (только через известное увеличение модуля упругости E1=E/(1—v2) для мембраны). Расчет такого покрытия (без поперечных балок) мог бы быть сведен к расчету изгибно-жестких нитей, в сечение которых следовало бы ввести сечение прогона с частью мембраны, приходящейся на один прогон. Интересный пример использования цилиндрических мембран — покрытие универсального спортивного зала в Измайлове (см. рис. 14.9), размером 72x66 мм. Покрытие состоит из замкнутого криволинейного железобетонного опорного контура с сечением 6x0,5 м, опирающегося на железобетонные колонны. Пролетная часть покрытия имеет мембрану толщиной 2 мм из нержавеющей стали ОХ18Т1, подкрепленную системой диагональных элементов толщиной 25 мм из стали 14Г2. Диагональные элементы имеют стрелу провисания 4 м, выполнены переменной шириной от 5,5 (у опор) до 1,2 м (в центре покрытия) и имеют продольную прорезь, которая по окончании монтажа была заварена. Пролетная часть покрытия закреплена в углах и по периметру опорного контура. Форма поверхности покрытия образована пересечением четырех секторов цилиндрического очертания. При этом отметка основания каждого сектора расположена на 0,4 м ниже его вершины, что обеспечивает наружный водоотвод.  Собранное на земле плоское покрытие крепилось концами диагональных элементов к подъемным устройствам и поднималось в проектное положение. Форма покрытия образовалась в результате провеса мембраны и раскрытия прорезей диагоналей под действием собственного веса покрытия. Ho так как стрелка провисания по направляющей каждого сектора переменна, то зазор по длине диагонали также менялся. В процессе образования формы покрытия размер зазора фиксировался в нескольких местах по длине диагонали стопорными планками, а по окончании этот зазор заваривался клиновидной вставкой. Работу мембраны, в соответствии с принятым методом монтажа, можно разделить на две стадии. На первой стадии во время подъема и загружения мембраны постоянной равномерно распределенной нагрузкой мембрана не имеет связи с опорным контуром и все усилия от постоянной нагрузки передаются на диагональные элементы, закрепленные в углах опорного контура. Такой метод монтажа позволяет избавить опорный контур от работы на поперечный изгиб при действии постоянной нагрузки. На этом этапе все четыре сектора покрытия работают, как цилиндрические мембраны со свободными кромками, и каждую из этих мембран можно представить как совокупность отдельных параллельных полос, опирающихся на диагональные элементы покрытия и работающих как гибкие нити. На действие постоянной нагрузки эти полосы можно рассчитывать по формуле (13.22) с учетом увеличения модуля упругости для пластины. Диагональные элементы покрытия, воспринимая цепные усилия мембран, работают как гибкие нити, нагруженные вертикальной постоянной нагрузкой, распределенной по треугольникам с нулевым значением в центре и с вершинами на опорах, и горизонтальной нагрузкой, выражающей собой проекцию распоров от прикрепленных к диагоналям полос мембраны — нитей. Получающийся распор в диагонали  На второй стадии работы покрытия, когда мембрана скреплялась с опорным контуром, на действие временной нагрузки мембрана начинала работать в двух направлениях, а опорный контур изгибаться в горизонтальном направлении. На действие временных нагрузок покрытие рассчитывали методом конечных элементов в линейной постановке на ЭВМ. Усилия в мембране, полученные расчетом по первой и второй стадии работы, суммировали. Конструктивных мероприятий по стабилизации покрытия не проводилось, но значительная постоянная нагрузка, почти равная временной, сама стабилизировала покрытие и полученные прогибы были признаны приемлемыми. К достоинствам этой схемы покрытия надо отнести безизгибную работу опорного контура квадратного здания на постоянную нагрузку, а также возможность сборки покрытия в горизонтальном нижнем положении. Однако применение подобной схемы к покрытию прямоугольных зданий с значительной разницей в размерах сторон проблематично. |
