Струнные конструкции
Струнные покрытия являются разновидностью вантовых и предназначены для перекрытия сравнительно небольших пролетов — от 18 до 36 м.
Струнные конструкции состоят из вант, сильно натянутых на массивные торцевые опоры и покрытых легкими металлическими листами кровли. Для уменьшения прогиба струны на всем протяжении между торцевыми опорами подперты рамами, установленными с шагом до 12 м. При такой конструкции прогибы покрытия не превышают шага промежуточных опор. Такая конструкция используется для покрытия складов и длинных вокзальных перронов.
Предварительное напряжение прямолинейных вант обеспечивает необходимую жесткость пролетной части покрытия. К недостаткам струн относят высокие значения распоров и провисание под нагрузкой, что ограничивает длину перекрываемых пролетов. Из-за деформативности струн кровля должна быть достаточно эластичной и допускать значительные прогибы под действием снега и ветра. В качестве примера такой кровли могут служить профилированный настил, уложенный гофрам и поперек струн, плитный пенопласт и эластичный рулонный ковер.
Струны в покрытии можно располагать параллельно или радиально, но возможна лучевая ориентация струн в нескольких направлениях.
Стремление к использованию прямолинейного опорного контура в струнных покрытиях обусловило появление различных предложений по обеспечению его безизгибной работы.
Мембранные покрытия
Мембранные покрытия представляют собой пространственную конструкцию, состоящую из тонкого металлического листа и жесткого опорного контура. Тонкий лист обладает пренебрежимо малой изгибной жесткостью, поэтому работает главным образом на растяжение, что позволяет наиболее полно использовать несущую способность металла и по сравнению с другими плоскостными и пространственными конструкциями получать минимальную массу покрытия. Отличительная особенность мембранных покрытий от других типов висячих конструкций — совмещение в одном материале несущих и ограждающих функций, за счет чего достигается дополнительное облегчение конструкции и снижение металлоемкости.
При пролетах до 100 м толщина стальной мембраны по условиям прочности не превышает 1—1,5 мм, что практически нельзя осуществить из условия коррозионной стойкости, поэтому толщину стальной мембраны из малоуглеродистой стали марки 10Г2С1 или низколегированных сталей марок 17Г2С и 17Г2СФ проектируют не менее 4—6 мм. Применение нержавеющей стали марки ОХ18Т1 толщиной 2 мм на ряде объектов не дало положительного эффекта ввиду ее высокой стоимости и непредвиденных статических явлений, связанных с появлением местных выпуклостей и потерей устойчивости листа в различных зонах конструкции под воздействием температуры. В полной мере использование прочности материала достигается в случае применения в качестве тонкого листа мембранного покрытия полунагартованного алюминия марки АМг21/2Н.
Применение алюминиевых сплавов имеет свои специфические недостатки, связанные с дополнительными напряжениями и деформациями от воздействия температуры, низким модулем упругости, низким пределом огнестойкости, плохой свариваемостью полос, а также высокой стоимостью.
Мембранными конструкциями можно перекрывать практически любые пролеты, назначая стрелу провисания в пределах Vis—V25 пролета. С увеличением пролета экономическая целесообразность мембранных конструкций возрастает. Однако опыт применения мембранных конструкций показал, что они успешно могут конкурировать с другими металлическими конструкциями на малых и средних пролетах (18—36 м).
Мембранные тонколистовые покрытия в зависимости от характера работы можно разделить на два типа — ленточные покрытия и мембранные оболочки. Ленточные покрытия образуются из отдельных, не связанных между собой лент и работают подобно однопоясной вантовой конструкции. К этому типу относят также системы из переплетенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях лент, а также двухслойные седловидные предварительно напряженные покрытия с утеплителем и без утеплителя между слоями. В покрытиях из переплетенных лент достигается совместная работа лент двух направлений, повышается жесткость конструкции при неравномерной нагрузке.
В мембранных оболочках отдельные ленты при помощи сварки, высокопрочных болтов или клепки сопрягаются в сплошную пространственную конструкцию, способную воспринимать сдвигающие усилия. Благодаря этому мембранные оболочки обладают большей несущей способностью и жесткостью по сравнению с ленточными мембранами, требуют меньшего расхода материала на пролетную конструкцию и позволяют совместно с различными решениями контура создавать интересные архитектурно-конструктивные формы.
Мембранные оболочки по форме повторяют все рассмотренные ранее поверхности висячих покрытий. Они могут быть нулевой гауссовой кривизны (цилиндрические и конические); положительной гауссовой кривизны (сферические, в виде эллиптического параболоида) и отрицательной гауссовой кривизны (шатровые, седловидные). Они могут быть также составными из поверхностей одинаковой или различной формы. Составные оболочки имеют не только выразительную архитектурную форму, но благодаря введению в систему дополнительных жестких и гибких элементов, в них снижаются изгибающие моменты в контуре, уменьшаются усилия в самой мембране, повышается жесткость системы.
Важное преимущество всех типов мембранных покрытий — сравнительно низкие трудоемкость и стоимость возведения, основанные на использовании рулонируемых лент шириной 740—2300 мм.
Мембранные конструкции — типичные представители висячих конструкций. Отсутствие изгибной жесткости вызывает необходимость стабилизации покрытия для обеспечения нормальной эксплуатации. Мембранные покрытия, как и вантовые системы, стабилизируют пригрузом покрытия; предварительным напряжением оболочки путем притягивания мембраны к опорному контуру; изменением геометрии покрытия с помощью натяжения вантовых ферм; притягиванием поперечных балок к основанию оттяжками; введением в конструкцию изгибно-жестких элементов в виде криволинейных ферм или балок. Выбор способа стабилизации определяется типом мембранного покрытия, его размером, формой плана, конструкцией опорного контура и т. п.
В нашей стране накоплен значительный опыт по расчету, проектированию и строительству различных типов мембранных покрытий, позволивший осуществить ряд уникальных большепролетных покрытий для спортивных залов и дворцов Олимпиады-80.
В Измайлове сооружено комбинированное покрытие из цилиндрических мембран толщиной 2 мм универсального спортивного зала размером 72X66 м, прямоугольное в плане с диагональными подкрепляющими элементами.
В Крылатском возведено комбинированное покрытие велотрека размером 168X138 м, состоящее из двух сочлененных седловидных оболочек в форме гиперболического параболоида толщиной 4 мм, уложенных на направляющие стальные полосы толщиной 6 мм и шириной 750 мм, подвешенные к аркам.
В Ленинграде для универсального спортивного зала осуществлена провисающая мембрана на круглом плане размером 160 м с толщиной листа 6 мм, стабилизированная вантовыми фермами.
Самое крупное сооружение Олимпиады — универсальный стадион на проспекте Мира размером 224X Х183 м — перекрыто провисающей мембраной толщиной 5 мм. Мембрана стабилизирована радиально расположенными висячими фермами высотой 2,5 м, поставленными с шагом 10 м.
Важнейший элемент мембранных конструкций — опорный контур, воспринимающий огромные усилия от мембраны и передающий их на опоры или фундаменты. В зависимости от формы сооружения опорный контур может быть плоским или пространственным, прямолинейного или криволинейного очертания, замкнутый или разомкнутый, подпертый по длине или свободный в пролете от опор.
Во всех типах мембранных покрытий основными усилиями в опорном контуре являются сжимающие усилия. Кроме того, в контуре могут возникать и изгибающие моменты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а в случае прикрепления мембраны с эксцентрицитетом — и крутящие моменты, поэтому сечение опорного контура развивается в двух плоскостях, одна из которых лежит в плоскости, касательной к мембране в опорном узле, а другая — в вертикальной плоскости.
Наиболее целесообразен по расходу материала замкнутый контур, в котором горизонтальные составляющие цепных усилий воспринимаются на уровне покрытия, а на колонны передаются только вертикальные реакции. Разомкнутый контур может быть оправдан только в том случае, когда он сопряжен с конструкцией (например, трибун), способной своей массой удерживать распор.
При решении контура в виде арочных конструкций распор следует воспринимать затяжками или непосредственно фундаментами. Опирание арок на колонны или пилоны - не рекомендуется, ввиду значительного расхода материала на них. При подпертом опорном контуре изгибающие моменты возникают только в плоскости покрытия, поэтому сечения опорного контура имеют форму двутавра. При наличии изгибающих моментов в двух взаимно перпендикулярных направлениях опорный контур выполняется в виде сплошного коробчатого сечения или в виде пространственной фермы треугольного или другого поперечного сечения.
Наиболее рациональными решениями внецентренного сжатого в одной и двух плоскостях опорного контура являются варианты из железобетона, а среди этих решений — сборно-монолитный, обеспечивающий снижение сроков возведения и высокую прочность контура. Тонкий лист мембраны крепят к опорному элементу с помощью высокопрочных болтов с рядовой или шахматной постановкой
Листы накладывают на сплошной горизонтальный лист, принадлежащий опорному контуру и с помощью сплошного прижимного элемента в виде пластины, уголка или какого-либо другого профиля плотно прижимают по всей длине контура. Для повышения коэффициента трения поверхность прижимных элементов покрывают фрикционно-изоляционной пленкой из эпоксидных смол, которая в случае применения алюминиевой мембраны, служит также защитой от электрохимической коррозии, возникающей в зоне контакта разнородных металлов.
В металлических контурах опорные ленты принимают шириной 300—400 мм и приваривают к основному сечению контура сплошными швами с усилением дополнительными швами в местах установки поперечных ребер с шагом не более 300 .мм. В железобетонных контурах опорную пластину приваривают к анкерным стержням, диаметр которых принимают не более 20 мм, а глубину их заделки в бетоне не менее 40 диаметров для гладких стержней. В двухслойных седловидных покрытиях ленты сопрягаются с опорным контуром через натяжные устройства.
Решение кровли в мембранных покрытиях ничем не отличается от обычных традиционных решений: пароизоляция, утеплитель, выравнивающая стяжка, гидроизоляционный ковер. В сплошных мембранных покрытиях-оболочках при плотном соединении тонких металлических листов между собой пароизоляции не требуется — её функцию выполняет тонкий лист. Учитывая деформативность мембранных покрытий, цементная стяжка под ковер усиливается армированием ткаными стальными сетками, а ковер — стеклотканью. В напряженных седловидных покрытиях утеплитель располагают между слоями лент или подклеивают изнутри к несущей ленте. Верхняя напрягающая лента служит одновременно и гидроизолирующим слоем.
Мембранные покрытия представляют собой сложные многократно статически неопределимые системы. Их напряженное состояние зависит от совместной работы мембраны и опорного контура, формы поверхности и характера приложения нагрузки, поэтому их расчет, в проектировании производят численными или аналитическими методами, реализуемыми с помощью ЭВМ. В большинстве случаев решение производится в предположении упругой работы материала тонкого листа и с учетом геометрической нелинейности, т. е. изменения формы сооружения в результате деформации всех элементов конструкции.
Приближенный расчет мембранных покрытий без учета геометрической нелинейности системы может быть выполнен по аналогии с приближенным расчетом соответствующих покрытий вантовых систем. При этом расчет ведется на 1 м ширины мембраны в направлении расчетного пролета. В результате получают завышенные значения усилий, так как, в отличие от вантовой системы, мембрана хорошо работает на сдвиг и способствует снижению сжимающих усилий и изгибающих моментов в опорном контуре.
При проектировании и в зависимости от уклонов и конфигурации кровли возможны следующие варианты крепления мембранной кровли к основанию:
Балластная система, когда мембрана свободно укладывается на основание и пригружается слоем гравия, который дополнительно защищает мембрану от механических повреждений при эксплуатации;
Система сплошного приклеивания при больших уклонах и значительных ветровых нагрузках;
Термопластичные швы — спайка швов горячим воздухом при помощи специального аппарата;
Система механического крепления, когда фиксирование мембраны к основанию кровли осуществляется с помощью саморезов, шайб, металлических или полимерных реек;
Инверсионная система, которую целесообразно применять при устройстве эксплуатируемых кровель (см. одноименный раздел данной книги).
Наливные — бесшовные покрытия. На крышу выливается искусственный материал на полимерной основе и валиком равномерно распределяется по всей поверхности. При соблюдении технологии такое бесшовное покрытие практически водонепроницаемо.
Балластная система наиболее экономична и универсальна. Это оптимальное решение для устройства плоской кровли на бетонном основании и для ремонта старых кровель без удаления старого пирога.
Требования, выполнение которых разрешает применение данной системы:
уклон кровли не должен превышать 15% (6°);
здание должно обладать достаточным запасом прочности, чтобы выдержать нагрузку балласта дополнительно к весу самой кровли — около 50 кг/кв.м.
Рулоны свободно укладываются на геотекстиль или соответственно подготовленное основание, выровненное и высушенное. Нахлест при укладке должен быть не менее 8 см.
Швы склеиваются шовным клеем, который обычно поставляется в комплекте с мембраной, или полимерным герметиком. В некоторых мембранных кровельных системах швы спаиваются горячим способом, а по периметру крепятся механически. Затем герметизируются сливные воронки и примыкания по периметру кровли.
Мембрана фиксируется окатанной галькой фракции 25-40 мм из расчета 50 кг/м2. Можно гальку заменить на щебень той же фракции, который укладывают на геотекстиль, предохранительную прокладку типа «Дорнит».
Полная приклейка кровельной мембраны позволяет получить легкую по весу крышу с конструктивной гибкостью. Она идеальна для кровель со сложной конфигурацией, большим уклоном, нестандартными формами, большими ветровыми нагрузками, а также для любой крыши с ограниченными несущими способностями. Применима полная приклейка и для ремонта старой кровли без демонтажа старого пирога. Швы склеиваются шовным клеем или гермети-ком, ими же выполняются примыкания.
Устройство кровельного ковра методом наклейки выполняют в следующей последовательности:
на предварительно огрунтованное основание (вдоль линии водораздела) раскатывают полотнище эластомерного материала и перегибают его по длинной стороне пополам без морщин;
на основание и отогнутую часть полотнища наносят тонкий слой клея и выдерживают до тех пор, пока клей перестанет прилипать при прикосновении сухим пальцем (до «отлипа»);
разворачивают смазанную клеем половину полотнища без образования морщин на основание с нанесенным клеевым составом и прикатывают катком массой 2-5 кг с мягкой обкладкой;
вторую лояоаину полотнища перегибают на наклеенную половину и приклеивают ее аналогичным способом;
в местах нахлестки на 100 мм смежных полотнищ клеящий состав наносят на предварительно обезжиренные растворителем кромки стыкуемых полотнищ и после выдержки клея до «отлипа» соединяют их с последующей прокаткой мест нахлестки поперек шва роликом массой 2-5 кг. Места нахлесток смежных полотнищ дополнительно герметизируют.
При устройстве однослойного кровельного ковра методом свободной укладки работы могут производиться с использованием отдельных полотнищ или укрупненных карт площадью 50-100 м2. Их выполняют в следующей последовательности:
раскатывают полотнища или заранее заготовленные карты на основание и осуществляют склейку их между собой с последующей герметизацией швов в местах нахлестки;
на образованный таким образом свободно уложенный на основание однослойный кровельный ковер расстилают распределительный (прокладочный) слой из стеклоткани, стеклорогожки, дарнита и другой рулонный материал с точечной приклейкой его к кровельному ковру;
по распределительному слою рассыпают п грузочный гравийный слой из расчета 50 кг/мг.
Приклейка осуществляется с помощью полим ной мастики, которая наносится валиком.
Термошвы, устроенные с применением автоматического сварочного оборудования, позволяют cyщественно сократить затраты труда, гарантирует равномерность и прочность шва.
Швы свариваются горячим способом с помощью сварочной машины или ручного сварочного аппарата прикатываются валиком. Кровельные работы можно проводить при любых погодных условия: отрицательной температуре воздуха.
Механическое крепление также позволяет получить легкую по весу кровельную систему. Эта технология вполне обоснована на скатных кровлях и быстровозводимых зданиях.
Требования, выполнение которых разрешает применение данной системы:
плиты теплоизоляции должны быть закреплены ранее, отдельно от мембраны;
крепеж должен быть выбран с учетом расчетана выдергивание из материала несущей конструкции.
Основанием, как правило, служит профнастил, утеплителем — жесткие минераловатные плиты толщиной 100-150 мм и плотностью 120-200 кг/м3.
Полотна крепятся с помощью шайб с резиновой прокладкой или реек, которые помещаются внутри швов соседних рулонов. При этом перехлест на рулон и крепеж должен быть не менее 120 мм. Затем в шве рулон приклеивается шовным герметикой, так, чтобы сформировать непрерывную водонепроницаемую мембрану.
Другой способ — рулоны не склеиваются, а свариваются между собой термоспособом, крепится через утеплитель непосредственно к основанию в верхнюю волну. При этом утеплитель должен быть закреплен заранее, независимо от мембраны