«Мембранные конструкции с применением внутренних опор – новый тип конструктивной схемы зданий»

Авторы:

Туснин А.Р., Кондрашов К.Н.

Аннотация

Основной задачей является анализ необходимости и возможности применения нового типа зданий – мембранных конструкций с внутренними опорами. Выявление характера их работы на основании компьютерной модели, определение опасных мест покрытия, разработка основных узлов конструкции, а так прогнозирование возможных сложностей при их дальнейшем применении.

Основная часть

Технический прогресс выдвигает перед строителями требования, определяющие рост дальнейшего капитального строительства, включающий снижение стоимости строительных конструкций, трудоемкости изготовления и монтажа, уменьшение расхода материалов.

Максимальное снижение сроков строительства, а так же размеров строительных площадок является одним из наиболее перспективных направлений современного строительства. Монтаж зданий укрупненными блоками, сокращение числа мелкоразмерных элементов существенно сокращают сроки монтажа, а так же стоимость сборки конструкции. Для осуществления данного решения, необходимо быть уверенным в особенностях работы сооружения. Выбор наиболее эффективной и экономически-целесообразной конструктивной схемы здания является одним из приоритетных направлений развития строительной науки.

Современные средства расчета значительно расширяют возможности конструирования зданий нового типа. Одним из представителей сооружений такого рода являются мембранные конструкции с внутренними опорами. Основная идея такого строения состоит в перераспределении нагрузок с опорного контура, находящегося в сложном напряженном состоянии, на внутренние опоры (рис №1). Мембранные покрытия по сравнению со структурами имею меньшую строительную высоту, простую конструкцию, позволяют вести блочный монтаж, совмещают несущие и ограждающие функции. Конструктивная схема структурных покрытий является оптимальной и экономически выгодной. Она применима для зданий с пролетами от 18 до 36 м. Толщина мембранного полотна колеблется от 1до 6 мм, при этом строительная высота покрытия сводится к минимуму.

Рис 1. Схема устройства здания с применением внутренних опор

Основные характеристики покрытия такого рода зависят от многих факторов, влияние которых должно быть учтено как поодиночке, так и при их совместном действии. Основными из них являются

1. Размеры мембранного блока

2. Расположения колонн

3. Жесткость мембранного листа

4. Жесткость опорного контура

5. Наличия усиления в местах опирания колонн

6. Наличия либо отсутствия распорок

Был произведен предварительный расчет конструкции при помощи ПК «Лира 9.4» в нелинейной постановке. Были учтены особенности работы самой мембраны на каждом из этапов загружения. Опорный контур задавался в виде стержневой системы, которая состоит из трех основных элементов (центрального, верхнего и нижнего стержня) соединенных поперечниками. Геометрические характеристики подобранной стержневой системы определяются параметрами сечения конутра. Средний стержень – располагается на центральной оси, а верхний и нижний располагаются поосями полок. Принимаем, что вся продольная жесткость (), жесткость на изгиб в вертикальной плоскости ( а так же вся жесткость при чистом кручении () заключены в среднем стержне. Жесткость продольных стержней на изгиб в горизонтальной плоскости определяется следующим образом: для крайних стрежней она составляет , соответственно для среднего стержня она составит . Другие жесткостные характеристики принимаются равными нулю. Поперечный стержень, соединяющий три продольных, имеет большие продольную и изгибные жесткости, но жесткость на чистое кручение принимается нулевой. Такой способ моделирования опорного контура позволяет определить значение бимомента в расчетных сечениях, эффект стесненного кручения при расчете опорного контура.

По результатам данного расчета было установлено, что оптимальным является положение опор на расстоянии от края (где – ширина мембраны). Следует заметить, что именно такое расположение опор является наиболее выгодным для покрытий с применением структурных покрытий.

Кроме того, на основании расчета были выявлены опасные места конструкции. Наибольшие скачки напряжения происходят в местах опирания стального листа на металлические колонны. Превышение нормативного значения напряжения в этих местах, приводит к необходимости усиления мест опирания (рис 2).

Рис 2. Варианты усиления узла опирания мембранного листа на колонны, с использованием ребер жесткости и без них

Так же зонами, требующими дополнительного усиления, являются места опирания распорок. В этих точках в опорном контуре возникают наибольшие усилия, а в мембранном полотне возможно образование мест локального сжатия, и как следствие потери устойчивости – «хлопунов». Появление начальных неровностей оказывается сильное влияние на напряженно-деформированное состояние покрытия. Их максимальные характеристики определяются с использованием рекомендаций по проектированию мембранных конструкций, опертых по контуру или по краям. Оценка влияния «хлопунов» мембраны на здания с применением внутренних опор необходимо обосновать расчетом.

Кроме того, отдельное внимание следует уделить способу крепления отдельных листов мембранного покрытия между собой. Основной проблемой является то, что толщина покрытия составляет несколько миллиметров. Наиболее распространёнными методами крепления являются такие, при которых отдельные ленты соединяются при помощи сварки, высокопрочных болтов или клепки сопрягаются в сплошную пространственную конструкцию, способную воспринимать сдвигающие усилия (рис 3). Но сварка элементов такой малой толщины довольно затруднительна, кроме того, температурные воздействия могу быть причиной образования «хлопунов». А при использовании болтовых соединений наиболее остро становится вопрос о гидроизоляции стыка. В связи с этим, в зону перехлеста мембранных листов помещают специальную гидроизоляционную прокладку, которая так же при плотном обжатии высокопрочным болтом повышает коэффициент трения. Так же можно использовать двустороннюю монтажную ленту, обеспечивающую требуемый уровень гидроизоляции (характерно, для конструкций с небольшим шагом колонн).

Для ускорения процесса монтажа конструкций возможно использование в качестве основного крепежного элемента – строительных клепок (рис 4). По результатам проведенных исследований, они наиболее эффективны при соединении деталей, толщинами 1-2 мм. Если же толщины превышают данные значения, то возможно использование самонарезающихся болтов. При таких способах соединения, требуемый уровень гидроизоляции может быть достигнут за счет использования прорезиненной прокладки между соединяемыми деталями.

Рис 3. Варианты крепления мембранных листов между собой с использованием монтажной ленты (1); гидроизоляционной прокладки (2)

Рис 4. Варианты крепления мембранных листов между собой с использованием строительных заклепок

Возможны различные способы организации планировочных решений с использованием мембранных конструкций данного типа. Для зданий, имеющих квадратное очертание в плане и относительно небольшие пролеты квадратное очертание в плане и относительно небольшие пролеты возможно использование конструкций, содержащих всего одну опору (рис 5,6)

Рис 5. Конструкция с использованием одной (центральной) опоры.

Рис 6. План с использованием одной (центральной) опоры.

Характер работы такой конструкции схож с особенностями распределения внутренних усилий в шатровых конструкциях. Роль внутреннего опорного кольца выполняет усиление мембраны в месте опирания на колонну, роль внешнего – опорный контур. Недостатки напряженно-деформированного состояния такой схемой компенсируются более удобным геометрическим очертанием здания.

Для пролетных зданий возможно применение конструкций такого рода с использованием двух опор, расположенных в центре пролета (рис 7)

Рис 7. Конструкция с использованием нескольких центральных опор

Возможно так же использование покрытий такого рода и для типовых промышленных зданий. Недостатком конструкций такого рода является то, что из-за особенностей работы покрытия, использование навесного кранового оборудования, а так же мостовых кранов довольно затруднительно. Но, в настоящее время, есть опыт применения башенных кранов в промышленных зданиях, которые не загружают каркас здания дополнительной нагрузкой. В большинстве случаев башенный кран привязывается к существующим колоннам (рис 8, ячейки 1,2). Возможно так же использовать 1 кран, расположенный в центре, но при этом необходимо возведение дополнительной опоры (рис 8, ячейка 3). Так транспортировка грузов может осуществляться при помощи напольного транспорта (рис 8, ячейка 4)

Рис 8. Различные способы организации транспортировки грузов в пределах ячейки промышленного здания.

Так же для конструкций такого рода характерны все остальные факторы, оказывающее влияние на монтаж и напряженно деформированное состояние мембранных конструкций опертых по контуру или по краям. Наиболее важные среди них – проблема сварки листов между собой и с опорным контуром, включающая в себя как выбор способа сварки, так и влияние остаточных сварочных деформаций; проблема коррозии, особенно остро стоящая для мембранных листов малой толщины (1-2 мм). Так же должен быть решен вопрос стабилизации покрытия на действие «обратного» отсоса и ряд других задач.

Заключение

Наиболее опасными местами, с точки зрения напряженно-деформированного состояния, являются места опирания колонн на мембрану. В этих местах необходимо усиление конструкции, так же оно требуется в местах опирания распорок. Но для успешного внедрения покрытий такого рода в массовое строительство необходимо уточнить работу самого мембранного блока, разработать узлы усиления конструкций в местах пиковых напряжений, определить технологию стабилизацию покрытия на действие неравномерной нагрузки и вертикального «отсоса», разработать схему крепления ограждения к покрытиям такого рода.