Конструктивные решения мембранных покрытий

Constructive solutions of membrane coatings

Victoria Trofimova

Student, Academy of Construction and Architecture of Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Eduard Lukashevich

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Academy of Construction and Architecture, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. В данной статье изучаются конструктивные решения мембранных покрытий, а также приводятся различные формы мембранных покрытий и их типы возведения. Также рассматривается вопрос прогрессивной технологии монтажа мембранного покрытия при строительстве олимпийского стадиона в Москве.

Abstract. In this article we study constructive solutions membrane coatings, and provides various forms of membrane сoating and their types of construction. Also examines the issue of advanced technology for installation of membrane coating in the construction of the Olympic stadium in Moscow.

Ключевые слова: мембранные покрытия; стабилизация; опорный контур; опорное металлическое кольцо.

Keywords: membrane coatings; stabilization; supporting contour; supporting metal ring.

Как с точки зрения возведения и эксплуатации, так и с точки зрения расчета, мембранные покрытия больших размеров являются исключительно сложными сооружениями. Стальная мембрана в таких сооружениях воспринимает только растягивающие напряжения. Большие усилия от мембраны воспринимает опорный контур, которые он передает на опоры и фундаменты. Мембранные покрытия совмещают в себе несущие и ограждающие функции. Это позволяет достичь дополнительное облегчение конструкции, а также снижает металлоемкость.

Также, мембранные конструкции могут составлять конкуренцию другим металлическим конструкциям на небольших пролетах (18–36 м). Как правило, толщину стальной мембраны из малоуглеродистой стали марки 10Г2С1 или низколегированных сталей марок 17Г2С и 17Г2СФ проектируют не менее 4–6 мм.

Выделяют 2 типа возведения мембранных покрытий:

1) ленточные покрытия;

2) мембранные оболочки

Ленточные покрытия образованы отдельными лентами, которые не связаны между собой. Они работают как однопоясная вантовая конструкция. В мембранных конструкциях отдельные ленты соединяются в пространственную единую конструкцию при помощи сварки, а также при помощи высокопрочных болтов или клепки, которая способна воспринимать сдвигающие усилия. Следует отметить, что по сравнению с ленточными покрытиями мембранные оболочки обладают большей жесткостью и несущей способностью.

Выделяют следующие формы мембранных покрытий:

1) цилиндрические и конические (нулевая гауссова кривизна);

2) сферические, в виде эллиптического параболоида (положи­тельная гауссова кривизна);

3) гипара (отрицательная гауссова кривизна)

Стабилизируют мембранные покрытия (как и тросовые системы) с помощью пригруза покрытия.

Способ стабилизации зависит от типа мембранного покрытия, его размера, конструкцией опорного контура, формой плана [1].

К элементам покрытия относятся мембранная пролетная конструкция и наружный опорный контур. Пролетная конструкция работает на двухосное растяжение. Она совмещает в себе несущие и ограждающие функции. Выполняется из тонких листов металла. К мембране крепится наружный опорный контур, выполненный из железобетона или металла. Он воспринимает усилия с пролетной конструкции. Опорный контур устанавливается на стены, колонны.

Примечание: где 1 – мембрана; 2 – опорный контур; 3 – вуты; 4 – стойки [2].

Рисунок 1. Схема мембранного покрытия

Опорный контур, который рационально запроектирован, работает как элемент, все сечение которого сжато. Поэтому для таких элементов применение железобетона более экономично.

Так как сечение опорного контура определяется из условия проч­ности, то для него выгодно применять самые высокие марки бетона.

Также следует добавить, что процент армирования может быть минимальным.

Стоимость опорного контура составляет более 50 % общей стоимости всего покрытия, поэтому он считается наиболее дорогостоящим элементом всей конструкции [3].

Начальную форму поверхности покрытия определяют по формуле:

где:   а и b - половины сторон прямоугольного плана покрытия;

 - начальная стрела провиса в центре покрытия;

x и y- текущие координаты.

Рисунок 2. Геометрия поверхности оболочки

В зависимости от способа монтажа показатель степени n может варьироваться от 2 до 4. При навесном методе монтажа n=2. При монтаже на подмостях или на уровне земли n=4. Результат расчета, в основном, зависит от величины  [2].

При строительстве Олимпийского стадиона в Москве была разработана прогрессивная технология монтажа мембранного покрытия.

Олимпийский стадион рассчитан на 45000 зрителей, выполнен в виде эллипса и представляет собой пространственную большепро­летную структуру с пролетом 228 м. По наружному контуру эллипса с шагом 20 м располагаются металлические колонны, имеющие высоту 33 м. Они шарнирно оперты на железобетонные опоры, которые жестко связаны с несущим контурным сборно-монолитным железобетонным кольцом. Мембранная оболочка подвешена к опорному кольцу. Она имеет толщину листа = 5 мм.

Примечание: где 1 - ростверк свайного фундамента; 2 - железобетонные колонны 2 х 0,8 м; 3 - опорный контур, состоящий из сборно-монолитных элементов размером 5 х 1,75м; 4 - внутреннее опорное металлическое кольцо диаметром 28 м; 5 - мембранная оболочка из стального листа толщиной 5 мм; 6 - стабилизирующие фермы длиной 96 м; 7 - железобетонный каркас трибун; 8 - зрительные места; 9 - витражи наружных фасадов; 10 - стеновые конструкции [4, с. 5].

Рисунок 3. Конструктивная схема Олимпийского стадиона

Выгодная геометрическая форма – это большое достоинство мембранных покрытий. Также мембраны не требуют специальной противопожарной защиты.

Монтажные соединения элементов мембран выполняются на сварке, а также на высокопрочных болтах и заклепках.

Как правило, основным материалом для мембран служит малоуглеродистая и низколегировання сталь, однако иногда используют нержавеющую сталь и алюминий [3].