18. Мембранные покрытия. Область применения. Конструктивные схемы. Узлы и детали.
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.
Однослойное сплошное покрытие из листов или полос, раскроенных и соединенных между собой так, что они образуют заранее заданную поверхность одинарной или двоякой кривизны, называется мембранным. Основной признак мембраны как инженерной конструкции – ее гибкость и связанное с этим свойство сопротивляться только растягивающим (мембранным) напряжениям. Мембранные покрытия совмещают в себе способность одновременного выполнения функций несущих конструкций и ограждения. В отличие от обычных висячих покрытий, где роль силовых элементов играют гибкие нити, каждая из которых сосредоточивает в себе часть силового потока, в мембранах он распределен по всей поверхности, вызывая равномерные и сравнительно невысокие напряжения материала. Поверхность мембранных покрытий может обладать всеми видами гауссовой кривизны. Наибольшей устойчивостью отличаются мембраны отрицательной кривизны, наименьшей– нулевой.
Основные недостатки мембранных покрытий связаны с большой площадью поверхности открытого металла. Это малая огнестойкость (предел 0,78 ч) и коррозионная уязвимость, например, стальные мембраны на круговом плане диаметром около 100 м могли бы иметь по условиям прочности толщину 1...2 мм, если бы не опасность коррозии, которая заставляет доводить ее до 4...5 мм. Но и в этом случае общий расход стали на несущие и ограждающие конструкции покрытия даже такого пролета невелик и составляет 30...40 кг/м2. Использование нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов позволяет сильно сократить запас толщины.
Цилиндрические мембраны образуются рядом полотнищ, прикрепленных к противолежащим сторонам опорного контура .Простые по конструкции и возведению, они не устойчивы при действии отсасывающих сил ветра и требуют пригрузки или других мер стабилизации.
Расчет цилиндрических мембран можно свести к плоской задаче, если рассматривать каждое полотнище единичной ширины как гибкую нить.
Мембраны на круговом плане могут быть провисающими или шатровыми . Провисающие мембраны проектируют сравнительно пологими (f / D =1/15…1/25), поэтому форма образующей кривой существенной роли не играет и мембраны выполняются сферическими, что упрощает их раскрой. Как и все поверхности положительной гауссовой кривизны, мембраны на плоском плане могут иметь перемещения при действии ветрового отсоса. Для их предотвращения применяют специальные меры. Чаще всего используют радиально расположенные стабилизирующие висячие формы.
Мембранные конструкции можно классифицировать следующим образом:
1. Каркасно-тентовые конструкции характеризуются наличием несущего каркаса, как правило, из металла, дерева или пластика. Ткань выкраивается плоскими участками с учетом геометрии каркаса, однако натяжение происходит только в одном направлении. В результате чего ткань имеет возможность совершать колебания под воздействием ветровой нагрузки и со временем выходить из строя (рис. 1 а).
2. Предварительно напряженные мембранные конструкции с поверхностями отрицательной гауссовой кривизны характеризуются тем, что кривизны этих поверхностей имеют разные знаки. Предварительное напряжение в таких конструкциях достигается путем искривления опорного контура, оттягиванием вверх или притягиванием вниз промежуточных опорных точек. Для обеспечения равного напряжения во всех точках и направлениях поверхность должна быть минимальной. Это означает, что такие формы оболочек отличаются высокой стабильностью и хорошо противостоят статическим и динамическим нагрузкам (рис. 1 д, е).
3. Воздухоопорные конструкции относятся к предварительно напряженным, однако с тем отличием, что кривизны поверхностей одинаковы во всех направлениях. Предварительное напряжение создается в замкнутом пространстве повышенным давлением воздуха (рис.2 а, б) [4].