Трофимов - Мембранные конструкции зданий и сооружений. Часть 1

Мембранные конструкции зданий и сооружений: Справ, пособие: В 2 ч.: Ч. 1/Под общ. ред. В.И. Трофимова и П.Г. Еремеева; ЦНИИ строительных конструкций им. В.А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1990. - 248 с: ил.

В части 1 приведены положения по проектированию строительных конструкций с использованием мембран, номенклатура мембранных конструкций, материалов, сведения по изготовлению и монтажу, конструированию пролетных конструкций и опорного контура.

Для инженерно-технических работников строительных и  проектных организаций.

Табл. 26, ил. 78, список лит.: всего 111 назв.

© Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко, 199а

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технический прогресс выдвигает перед строителями требования, Без выполнения которых немыслим дальнейший рост капитального строительства. Основные на них - снижение стоимости строительных конструкций, трудоемкости изготовления и монтажа, уменьшение  расхода материалов. Этим требованиям успешно удовлетворяют пространственные металлические конструкции, одним из эффективных типов  которых являются висячие тонколистовые системы, позволяющие  создавать конструкции с высокими технико-экономическими показателями.

Мембранные системы представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа, закрепленного на контуре. Как известно, металлический лист и качестве несущей конструкции  покрытия был впервые использован русским инженером В.Г. Шуховым еще в 1896 г. Хотя с тех пор было построено немало сооружений с  мембранными покрытиями, применение их носило эпизодический характер. Тем Не менее уже с 1970-х годов достижения в области строительной  механики, строительных материалов, технологии возведения зданий и  сооружений, создали предпосылки для широкого применения тонколистовых конструкций. Так, в Москве возведены одни нэ крупнейших в мире  олимпийские сооружения с мембранными покрытиями пропетом до 200 м.

В Ленинграде построен универсальный спортивный зал диаметром 160 м, перекрытый тонколистовой оболочкой. Мембранные покрытия пролетом около 60 м применены во Дворце спорта во Фрунзе и в плавательном бассейне в Харькове. Построены сооружения с тонколистовыми  металлическими покрытиями меньших пролетов. С использованием мембранного покрытия выполнена реконструкция действующего цеха на заводе  "Компрессор" в Москве.

Мембранные покрытия применяются не только при сооружении  уникальных сооружений (крытых стадионов, выставочных павильонов), но и при возведении здании массового строительства, киноконцертных и спортивных залов универсального типа, больших магазинов, рынков.

Они могут использоваться в промышленных зданиях без подвесного  кранового оборудования, с мостовыми кранами или напольным  транспортом, в складских помещениях, гаражах, ангарах, резервуарах,  отстойниках и т.д. Мембранные системы могут быть также широко использованы в ограждающих конструкциях стен, кровель, подвесных потолков. 

Областью применения мембран являются и специальные сооружения  различного назначения. Для широкого внедрения мембранных конструкций в практику строительства возникла необходимость выпуска справочного пособия по их проектированию, отвечающего требованиям современного уровня строительства. Предлагаемое издание (в двух частях) разработано в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР при участии ряда научно-исследовательских институтов и отдельных специалистов на основе последних экспериментально-теоретических исследований мембранных систем, опыта их проектирования и строительства.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Предлагаемое справочное пособие предназначено для специалистов, проектирующих металлические мембранные(тонколистовые) конструкции зданий и сооружений  промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения.

1.2. Выбор типа конструкции и материалов при  проектировании мембранных систем следует производить исходя из  технико-экономической целесообразности применения проектных  решений в конкретных условиях строительства (с оценкой по приведенным затратам) в соответствии с требованиями  нормативных документов по проектированию и строительству, а  также "Технических правил по экономному расходованию  основных строительных материалов" (ТП 101—81*).

1.3. При выборе и разработке проектных решений  необходимо добиваться снижения материалоемкости, трудоемкости, сметной стоимости строительства, эксплуатационных расходов, массы несущих и ограждающих конструкций. В проектных  решениях следует стремиться наиболее полным образом  использовать эффективные строительные материалы и конструкции.

1.4. При проектировании зданий и сооружений с  применением мембранных конструкций должны быть предусмотрены мероприятия по обеспечению прочности, жесткости и  устойчивости всей системы, а также отдельных элементов и их  соединений как в условиях эксплуатации, так и при транспортировке и монтаже.

При этом должно быть комплексно решено: очертание  конструкции в плане; форма поверхности мембраны; способ  стабилизации пролетной конструкции; рациональное восприятие распора с мембраны; гидротеплоизоляция ограждений;  водоотвод с покрытия; устройство различных проходок, фонарных и других проемов и отверстий.

1.5. Основными элементами мембранных систем являются тонколистовая пролетная конструкция — собственно мембрана, испытывающая в большинстве случаев двухосное напряженное состояние, и опорный контур, воспринимающий усилия от  пролетной конструкции. Пролетная конструкция может быть  подкреплена системой элементов, используемых для монтажа  оболочки, ее стабилизации, устройства подвесного потолка,  установки технологического оборудования и т.п.

1.6. По конструктивным особенностям мембранные  системы разделяются на: мембранные сплошные оболочки;  ленточные покрытия; двухпоясные комбинированные тонколистовые покрытия; большепролетные блоки покрытий с мембранными обшивками; тонколистовые складчатые своды; мембранные, сплошные и ленточные ограждающие конструкции; панели  покрытий с тонколистовыми обшивками; специальные сооружения с применением мембран.

1.7. Мембранные оболочки выполняются из отдельных  тонколистовых полотнищ, объединяемых на монтаже в сплошную пространственную систему [98]. Ими можно перекрывать здания с разнообразным очертанием в плане — треугольным, квадратным, прямоугольным, круглым, овальным,  эллиптическим и т.д. Мембранные оболочки могут иметь различную форму поверхности покрытия (рис. 1.1):

поверхность нулевой гауссовой кривизны —  цилиндрические и конические оболочки;

поверхность положительной гауссовой кривизны —  оболочки сферические, в виде эллиптического параболоида, очерченные по поверхности вращения с вертикальной осью;

поверхность отрицательной гауссовой кривизны —  седловидные, в том числе в виде гиперболического параболоида, шатровые;

составную поверхность, в виде комбинации оболочек с  одинаковой или различной геометрией поверхности (рис. 1.2).

1.8. Ленточные покрытия (из переплетенных лент и  двухслойные седловидные) монтируются из отдельных не  соединяемых одна с другой лент. По статической схеме ленточные  покрытия приближаются к вантовым системам. Покрытия из переплетенных лент имеют провисающую  поверхность положительной гауссовой кривизны и предназначены для зданий с круглым или овальным очертанием в плане [104].

Покрытия из переплетенных лент с подкрепляющей системой имеют провисающую составную поверхность и предназначены для зданий с многоугольным очертанием в плане (треугольник, прямоугольник и г д.) [92]. Двухслойные ленточные покрытия имеют седловидную форму поверхности и предназначены для  зданий с прямоугольным, овальным или более сложным  очертанием в плане [103].

1.9. К двухпоясным покрытиям относятся  комбинированные системы, у которых один или два пояса пролетной  конструкции выполнены в виде мембраны [56]. Пояса объединяются один с другим распорками или решеткой. Форма поверхности мембран может быть выпуклой или вогнутой.

1.10. Большепролетные блоки покрытий состоят из  пространственного стержневого каркаса, включающего продольные фермы, объединенные системой прогонов и вертикальных  связей, а также верхнюю и нижнюю тонколистовые обшивки [66, 100].

1.11. Складчатые своды собираются из унифицированных тонколистовых лоткообразных ромбических или прямоугольных элементов, перегнутых по диагонали [100]. К  конструкциям этого типа относятся трансформирующиеся (раздвижные) своды [100]. Трансформация достигается раздвижкой спакетированных складок с образованием складчатых сводов.

1.12. Тонколистовые обшивки из объединяемых на монтаже в сплошную мембрану рулонных полотнищ располагаются по нижним поясам стержневых систем (структуры, перекрестные и параллельные фермы) и. включаются в их работу, выполняя при этом роль подвесных потолков. Мембранная сплошная  обшивка может располагаться и по верхним поясам стержневых систем, образуя кровлю. Ограждающие ленточные мембранные конструкции  подвесных потолков, кровель и стен выполняются из отдельных  рулонных лент, не объединенных на монтаже одна с другой  (полистовая сборка). Цепные усилия с лент передаются на основной каркас здания [100].

1.13. Тонколистовые конструкции рекомендуется  применять в специальных сооружениях различного назначения —  зернохранилищах, градирнях, резервуарах, водонапорных башнях, экранах и т.п. Мембраны в этих системах включаются в работу основных конструкций и используются в качестве  ограждающих конструкций [100].

1.14. Мембранные системы на прямоугольном плане  рекомендуется применять при замене конструкций покрытий  реконструируемых промышленных зданий [65].

2. МАТЕРИАЛЫ, ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Для изготовления пролетной конструкции мембранных систем применяются стали углеродистые, низколегированные, в особых случаях нержавеющие стали и алюминиевые сплавы, выпускаемые в виде листов или рулонов. Выбор материала определяется конкретными условиями эксплуатации мембранных конструкций, технологии их  изготовления и монтажа, экономической целесообразности. При этом рекомендуются: сталь марки ВСтЗпс, поставляемая в листах и рулонах  толщиной до 6 мм по ГОСТ 380-71», ГОСТ 16523-74*, а также по ТУ 14-1-3579-83; низколегированная сталь марки 09Г2С и атмосферостойкая сталь марки 10ХНДП, поставляемые в листах и рулонах  толщиной до 4 мм по ГОСТ 17066-80* и в листах толщиной свыше 4 мм по ГОСТ 19282-73*; низколегированная сталь марки 16Г2АФ, поставляемая в рулонах толщиной свыше 5 мм по ТУ 14-1-1762—76.

Расчетные сопротивления листовой стали толщиной 4 мм и выше принимаются согласно СНиП Н-23-81* табл. 51. При толщине листа менее 4 мм расчетные сопротивления стали рекомендуется назначать как для проката толщиной 4 мм;

2.2. Допускается для пролетной конструкции мембранных систем применять поставляемый в рулонах алюминиевый лист толщиной 1 — 3 мм системы Al-Mg марки АМг2Н2 (ГОСТ 21631-76*, ГОСТ 13726-78*) расчетным сопротивлением 145 МПа (см. табл. СНиП 2.03.06-85).

2.3. В зданиях с агрессивной средой допускается применять нержавеющие стали: марки О8Х18Т1 толщиной до 2 мм и марки 12Х18Н1ОТ толщиной до 4 мм, поставляемые в листах и рулонах по ГОСТ 5582-75*.

2.4. Для пролетной конструкции мембранных систем  используются полотнища, сворачиваемые в рулоны. Длина полотнища принимается равной всему пролету или для оболочек с круглым и овальным планом, имеющих центральное кольцо, — половине пропета. Ширина полотнища принимается не более 12 м и  ограничивается габаритами и массой рулона, а также  производственными возможностями завода-изготовителя. При назначении ширины полотнища для мембранных оболочек необходимо учитывать кривизну Поверхности покрытия.

2.5. Рулонные полотнища толщиной 3 мм и выше  выполняются в заводских условиях из отдельных листов размером 1,5x6 м, свариваемых один с другим встык на специальных высокомеханизированных установках. Изготовление полотнищ толщиной менее 3 мм следует предусматривать из рулонных лент,  поставляемых металлургической промышленностью и соединяемых одна с другой сваркой в построечных условиях.

2.6. При изготовлении рулонных заготовок-полотнищ следует соблюдать требования СНиП Ш-18-75 "Правила производства и приемки работ. Металлические конструкции ", а также  следующие дополнительные требования:

а) допускаемые отклонения от проектных линейных размеров полотнища: по ширине —1 10 мм, по стрелке саблевидное (отклонение продольной оси 1 1/3000, где 1—длина полотнища);

б) высота выпучин (хлопунов) на поверхности полотнища не должна превышать 0,006h, где h — расстояние между  противоположными краями выпучин; допускается h < 1500 мм;

в) сварку заводских стыков следует предусматривать  автоматическую двухстороннюю с контролем мест пересечения швов и участков швов с признаками дефектов проникающими  излучениями;

г) при выполнении монтажных соединений отдельных  полотнищ на высокопрочных болтах стыковые швы у кромок рулона зачищаются заподлицо с листом, а сами кромки обрабатываются согласно требованиям СНиП Ш-18-75.

2.7. Ленточные покрытия и ограждающие мембранные  конструкции (подвесные потолки, стены) выполняются из рулонных лент, поставляемых металлургической промышленностью. Кроме требований стандартов рулонные ленты должны отвечать  следующим дополнительным требованиям: ленты должны поставляться с обрезными кромками; стрелка саблевидное рулона не должна превышать l/3000, где l— длина рулона.

2.8. Опорный контур мембранных покрытий рекомендуется проектировать из сборного или сборно-монолитного  железобетона. Возможно применение монолитного железобетона. Ввиду того, что опорный контур в основном работает на внецентренное сжатие с малыми эксцентриситетами, рекомендуется применение бетона класса (не ниже В20) и продольной арматуры класса АШ. В  некоторых случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании в качестве материала опорного контура мембранных покрытий допускается применение металлопроката массовых видов.

2.9. Для изготовления вант подкрепляющей системы  мембранных покрытий рекомендуется применять стальные канаты согласно п. 2.8 СНиП .11-23-81* или горячекатаную арматурную сталь с учетом рекомендаций [64].

2.10. Дополнительные указания по применяемым материалам для мембранных конструкций некоторых типов приведены в соответствующих пунктах этого Справочного пособия.

3. ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ ПРОЛЕТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ

3.1. Толщина мембраны определяется расчетом, увеличение ее для продления срока службы конструкции допускается лишь в случае невозможности защиты от коррозии и должно быть  обосновано соответствующим технико-экономическим расчетом.

3.2. Очертание плана и форма поверхности мембранных  оболочек должны быть взаимоувязаны и назначаться с учетом архитектурно-технологических и производственных требований. Их выбор рекомендуется производить на основании  технико-экономического анализа с учетом расхода материалов, возможности технологичного изготовления конструкций и их монтажа,  аэродинамики покрытий, строительной высоты, вопросов  водоотвода.

3.3. По способу формообразования мембранные оболочки разделяются на покрытия с первоначально заданной стрелой провиса и первоначально плоские.

3.4. Покрытия с заданной стрелой провиса в большинстве случаев собираются навесным способом на предварительно смонтированной системе вспомогательных элементов  ("постель") из отдельных полотнищ с последующим их  взаимообъединением в пространственную мембранную систему. Геометрия элементов постели определяет начальную форму поверхности мембранной оболочки и должна соответствовать проектной. В случае если элементы постели обладают малой изгибной жесткостью, то их очертание получается расчетом с учетом податливости контура висячей системы, состоящей из монтажных  элементов, на воздействие нагрузок, прикладываемых к покрытию до объединения отдельных полотнищ в сплошную оболочку — собственного веса элементов постели, полотнищ мембраны и тд. Нагрузка от собственного веса подвесных потолков,  обслуживающих мостиков и технологического оборудования  учитывается, если их монтаж осуществляется одновременно с  монтажом посте.

Расчетные длины элементов постели определяются из расчета гибкой нити с учетом ее упругих деформаций и податливости контура мембранной системы. Начальная форма поверхности оболочки может быть задана изгибной жесткостью элементов постели или использованием предварительно напряженных вантовых ферм.

3.5. Первоначальные плоские мембранные покрытия,  собираемые на спланированной площадке или подмостьях, после подъема или раскружаливанкя провисают под действием собственного веса. Форма образующейся при этом поверхности и  стрела провиса покрытия зависят от следующих факторов: избыточной площади поверхности мембраны, возникающей из-за сварочных деформаций; начальных погибей, оставшихся после правки листов или рулонов; остаточных деформаций, которые возникают в результате сворачивания и  разворачивания рулона и т.п.; податливости опорного контура; упругих деформаций мембраны. Рекомендуется начальную стрелу провеса первоначально плоских мембран принимать равной не менее 1/60 меньшей стороны или диаметра покрытия.

3.6. Пролетную конструкцию мембранных покрытий рекомендуется выполнять из полотнищ максимальной площади (с учетом условий изготовления, перевозки и монтажа),  поставляемых на монтажную площадку в рулонах. Полотнища  рекомендуется располагать в направлении действия максимальных усилий в покрытии.

3.7. При существенной неравномерности распределения цепных усилий в пролетной конструкции для снижения расхода металла и обеспечения равнопрочности мембраны допускается местное усиление пролетной конструкции увеличением толщины листа или постановкой дополнительных листов, крепящихся по всей их площади к основному полотнищу соединениями, которые обеспечивают их совместную работу. Листы усиления рекомендуется выполнять прямоугольными с закругленными углами. Зазор между основным полотнищем и листами  усиления по их периметру должен быть изолирован для  предотвращения щелевой коррозии. Толщина листов усиления не должна превышать толщину основного листа.

3.8. В пролетную конструкцию мембранных покрытий в большинстве случаев включаются элементы подкрепления, служащие в период монтажа постелью, на которую  укладываются полотнища мембраны. Элементы постели состоят из направляющих и поперечных связей. Направляющие связи располагаются вдоль мембранных  полотнищ с шагом, равным их ширине. При ширине полотнищ более 6 м направляющие связи рекомендуется устанавливать с шагом, равным половине ширины мембранного полотнища.

Шаг направляющих необходимо увязывать с шагом колонн и размерами сборных элементов опорного контура. Поперечные элементы постели рекомендуется устанавливать с шагом 3—6 м. При монтаже покрытия на подмостях или внизу на  спланированной площадке элементы постели не требуются.

3.9. Направляющие связи рекомендуется выполнять: длиной на пролет из стальной поносы, гнутых, прокатных или сварных элементов (тавр, двутавр, два швеллера), легких висячих ферм с верхней горизонтальной полкой шириной 300—500 мм. Узлы крепления направляющих к контуру должны обеспечивать возможность выверки геометрии постели. Для этого на одном из концов направляющих связей рекомендуется устанавливать хвостовик, подтяжкой которого к упорам на контуре  обеспечивается регулировка длины направляющих во время монтажа (рис 3.1, 3.2). Другой конец направляющих, которые не  обладают большой изгибной жесткостью, крепится к контуру жестко (рис. 3.3). Изгибно-жесткие направляющие элементы постели рекомендуется крепить к опорному контуру шарнирно, чтобы избежать возникновения в контуре дополнительных  крутящих моментов, а в ребре — дополнительных изгибающих  усилий (рис. 3.4).