Покрытия и цельноалюминиевые здания

01.06.2020

Купольное покрытие D = 60 м. Купольное покрытие является примером системы покрытия, в которой ограждающие элементы, перекрывая значительное пространство, образуют своеобразную складку, способную, несмотря на малую толщину элементов, нести снеговую нагрузку и собственную массу.

Купол диаметром 61, 73 м (рис. 56) образован ромбическими запроектированными из листа толщиной 3 мм панелями шести типов, основные размеры которых определены радиально-кольцевой разбивкой сферического сегмента. Каждая панель имеет сгиб по наибольшей диагонали длиной около 10 м, размер короткой диагонали для разных типов панелей изменяется от 3 до 0,7 м. «Глубина» панели также различная — от 24 до 40 см. Таким образом, каждая панель является пространственным элементом и все покрытие представляет складчатую систему. Для обеспечения общей неизменяемости и жесткости во всех направлениях панели по наименьшей диагонали соединены друг с другом трубчатыми распорками, которые образуют шесть колец, располагаемых по наружной стороне купола. Панели вместе с кольцами создают жесткую и устойчивую систему покрытия.

Все панели и промежуточные кольца конструкции запроектированы из сплава АМгМ. Верхнее кольцо диаметром D = 12 м, на которое опирается аэрационный фонарь, подвержено воздействию крутящих моментов и запроектировано трубчатого сечения из сплава АМг6; нижнее кольцо стальное. Купол рассчитан на нормативные нагрузки: собственной массы конструкции и утеплителя 0,4 кПа, снега 1 кПа.

Расход алюминия на конструкции, включая фонарь, 53,5 т.

Легкая масса отдельных элементов и отправочных марок позволяет монтировать покрытие способом подращивания. На земле собирается верхнее опорное кольцо, к которому последовательно подсоединяются отдельные ярусы панелей, и с помощью мачты, установленной в центре, собранная часть купола постепенно поднимается на проектную отметку.

Достоинством радиально-кольцевой разбивки шарового сегмента является малое число разных типов панелей по сравнению с так называемыми куполами Кайзера, Фуллера и др.

Большепролетное купольное покрытие D = 282 м. Решетчатое подкрепление в виде однотипных элементов, регулярно повторяющихся в системе покрытия, может быть расположено в интерьере здания или вынесено наружу. В этом случае покрытие создается системой пространственных ферм, имеющих в поперечнике треугольное сечение. У таких ферм одним из поясов служит гофрированная панель ограждения (рис. 57, 58), а другим поясом — стержень. Между собой они объединены раскосами, расположенными в двух симметричных наклонных плоскостях.


Гофрированная панель 1 включается в работу всей системы через прогон 2, опирающийся на раскосы 3 в узлах их пересечения (рис. 58). Треугольные фермы устанавливаются в покрытии рядом. По статической схеме такие фермы могут быть балочными, арочными, рамными или образовывать купол.

Гофрированные листы панелей-поясов обладают большой устойчивостью. В зависимости от пролета панели и нагрузок сечение их может быть в виде замкнутых многополостных гнутых профилей проката или цельновытянутых из расплава профилей. Выполняя роль пояса, панель должна одновременно иметь соответствующую жесткость при работе на поперечный изгиб под действием снеговой и постоянной нагрузок. В конструктивном отношении профиль должен хорошо сопрягаться с примыкающими прогонами и раскосами, так как иначе не будет обеспечено полное включение панели-пояса в силовую игру всей пространственной фермы. Ниже дается описание конструкции и показаны узлы, обеспечивающие пространственную совместную работу панелей ограждения и подкрепляющих его элементов.

На рис. 57 и 58 показана конструкция панельно-каркасного купольного покрытия пролетом 282 м. Объемно-планировочное решение корпуса принято по технологическим требованиям, а форма и статическая схема определились климатическими факторами, которые явились решающими в связи с громадными размерами сооружения. Покрытие запроектировано из алюминиево-магниевого сплава АМг6 и АМгбБН под следующие нагрузки: нагрузку от снега в III районе согласно СНиП II-А.H—62; скоростной напор ветра в I районе бывш. СССР и нагрузку от собственной массы вместе с утеплителем 1 кПа.

Силуэт всего сооружения в поперечнике напоминает гигантский шлем, жестко соединенный с фундаментами. Заостренная верхняя часть запроектирована с уклоном 45°, поэтому снег смещается от центра к вертикальному ограждению, что значительно снижает снеговую нагрузку в центре покрытия и уменьшает изгибающие моменты в покрытии. К этому же приводит жесткое соединение центрального конуса с остальной частью здания.

Колоссальные размеры сооружения в условиях снежных районов бывш. СССР со значительными ливневыми дождями поставили проблему по удалению осадков. В данном случае эта проблема решается применением стойкого против атмосферной коррозии материала и специально разработанной для такого огромного перекрываемого объема конструктивной формой покрытия. Поверхность ограждения панелей имеет желобчатую форму — каннелюры. В стыке одна панель перекрывает другую по направлению ската. Дождевая вода, разделенная такой поверхностью на небольшие ручьи, может быть собрана желобом на любой отметке и отведена в ливнесток. В местах соединения прогонов и панелей проход воды автоматически регулируется сечением желобов и преградой в виде прогонов, расположенных на пути дождевого потока. Этот желобчатый лист и наружные конструкции всего покрытия призваны сдерживать лавину снега, распылять ее энергию падения и обеспечивать удаление талых вод с хорошо нагреваемой солнцем алюминиевой поверхности.

Алюминиевое покрытие корпуса запроектировано из 148 пространственных ферм треугольного сечения переменной высоты. Каждая ферма — это набор трехгранных решетчатых призм и усеченных пирамид, опирающихся одна на другую по высоте контура поперечного разреза здания.

Плавный контур перехода от заостренной центральной части здания к вертикальному ограждению исключает появление резких пиков у огибающей эпюр моментов от действия собственной массы, снега и ветра. Большие опорные моменты в пределах отметок от 0,0 до +15,00 воспринимаются стойками, расположенными по радиусу на расстоянии 8 м друг от друга. Таким образом, металлический шлем запроектирован лежащим на системе опор, образующих двухрядный кольцевой коридор высотой 17 м, шириной 8 м. При таком решении фундаменты стоек работают в основном на центральное сжатие или выдергивание.

Пространственная работа всего сооружения обеспечивается системой кольцевых связей, поставленных через 12 м по поперечному контуру. Вместе с прогонами и раскосами 3 основных ферм кольцевые связи образуют трехгранные кольцевые фермы. Наличие центрального конуса, плавной конструкции сверху донизу и разнос опор создают хорошую пространственную работу, устойчивость, большую жесткость и надежность всего сооружения. Из всего количества алюминиевых конструкций купола 72 % запроектированы из листового металла. Расход упрочненного алюминия на покрытие вместе с колоннами по проектным данным получен равным 84 кг/м2 при общей вертикальной нагрузке 2,4 кПа.

Панельно-каркасные блоки с заранее напряженным листом. К панельно-каркасным конструкциям следует отнести пространственные блоки покрытий с заранее напряженным кровельным листом. В этих конструкциях две плоские фермы объединяются вертикальными связями и листом потолка, прикрепленного к нижним поясам. Кровельный лист прямо из рулона раскатывается по верхним поясам ферм. Специальными рамочными приспособлениями, установленными в торцах ферм, он натягивается на пояса, а потом приваривается (рис.59). Получая в процессе изготовления растягивающие напряжения, в дальнейшем под воздействием эксплуатационной нагрузки лист включается в работу сжатых ферм.

За счет большой площади ограждающих листов увеличивается момент инерции ферм и, следовательно, жесткость всего покрытия сооружения. Такими блоками был перекрыт выставочный павильон площадью 2700 м2 в Москве. Размеры блоков покрытия 3x30 м, высота в коньке 1,75 м. Масса блока с утеплителем около 2 т. Расход упрочненного алюминия 13 кг/м2. Такая же конструкция из пространственных блоков была использована в покрытии пролетом L = 60 м Ледового дворца, построенного в Москве в 1978 г. В данном случае расход алюминия составил 20,5 кг/м2.

Панельно-каркасные балочные фермы. С целью определения геометрических размеров и примерного расхода алюминия на конструкции покрытий в процессе экспериментального проектирования были получены данные для покрытий пролетами от 20 до 90 м. На рис. 60 дана схема таких балочных ферм и расход металла на 1 м2 площади пола здания при различных расчетных нагрузках. Кроме того, были определены рациональные соотношения геометрических размеров этих пространственных ферм. Так, при расчетной нагрузке q = 3,25 кПа, чтобы обеспечить прогиб не более 1/200L, высота таких панельнокаркасных конструкций должна быть примерно h>1/15 L.

Для обеспечения от этой же нагрузки прогиба 1/300L, высоту следует назначать примерно 1/10 L. При уменьшении нагрузки высота ферм будет соответственно уменьшаться до 1/15—1/17 L. Раскосная треугольная решетка панельно-каркасных ферм с параллельными поясами позволяет максимально типизировать ее элементы — раскосы и узлы сопряжения с ними поясов и прогонов. Наиболее стабильные показатели по массе получены при отношении размера панели решетки а к высоте h в пределах 1,25—0,9 и отношении ширины панели-пояса b к высоте h, равном 0,6-1,0.

Работа таких балочных ферм, используемых в качестве панелей ограждения пролетом 6 м, была изучена в ВИЛСе. Трехгранные фермы, у которых утепленные пенопластом трехслойные и двухслойные панели служили поясом (рис. 61), были испытаны под нагрузкой по двум схемам: при равномерно распределенной нагрузке, когда q = 2,82 кПа, и когда в узлах были приложены сосредоточенные силы, равные P = 3240 Н.

На рис. 61, г как результат этих исследований построены графики распределения напряжений при изгибе и сжатии в панели-поясе. Из этих графиков видно, что по ширине панели во всех сечениях, кроме близких к опорам, напряжения распределены равномерно, т. е. эти сечения панели полностью включаются в работу фермы, воспринимают сжатие, выполняя функции пояса, и одновременно работают на поперечный изгиб под действием местной нагрузки.

В сечении I—I влияние опорных реакций отражено на графиках в виде пиков напряжений, расположенных прямо у опор. Таким образом, установлено, что сосредоточенные силы, которыми в данном случае являются опорные реакции, воспринимаются только частью сечения панели. Как видно из графика рис. 61, г, в сечении I—I эта часть составляет примерно 60% и, следовательно, в этих местах будет значительное перенапряжение. Для того чтобы избежать этого перенапряжения, целесообразно в опорных сечениях делать местное усиление панели: например, гофрированный лист со стороны решетчатого подкрепления усилить гладким листом, создав таким образом многотрубчатую конструкцию, или сделать крайний отсек из двух спаренных листов, которые были бы расположены относительно друг друга так, чтобы получалось устойчивое сечение с рядом замкнутых полостей.

На основании экспериментальных исследований балочных панельно-каркасных конструкций, у которых поясом служили трехслойные и двухслойные панели, предложен способ проверки напряженного состояния алюминиевой облицовки этих панелей и общего прогиба конструкции. Напряжение в облицовке трехслойной панели-пояса рекомендуется определять по формуле (рис. 61, в):

При разрезных в узлах облицовках

- при сплошной панели-поясе:

Для определения общего прогиба f панельно-каркасной конструкции рекомендуется формула Мора—Максвелла с поправочными коэффициентами

Покрытие платформ Московского вокзала в Ленинграде. В 1974—1976 гг. был разработан проект и построены покрытия платформ в виде панельно-каркасных конструкций, состоящих из алюминиевых оболочек и стальных бортовых элементов. Каждый температурный блок представляет складчатую оболочку пролетом 24 м с двумя консолями по 12 м каждая (рис. 62). Оболочки набраны из треугольных в сечении складчатых арочек (рис. 63), согнутых из листа толщиной 3 мм и имеющих ширину 1,5 м, высоту 0,785 м и размер между опорными концами 9,65 м. Каждая оболочка, образованная такими складчатыми арочками, объединенными у опорных концов стальными бортовыми балками треугольного сечения, имеет общие размеры 9,65x48 м. Между собой оболочки соединяются через компенсаторы. Общая длина покрытия каждой платформы 336 м. На покрытие было израсходовано алюминия 18,4 кг/м2 и стали 4,8 кг/м2. Опорами оболочек служат железобетонные колонны с консолями, поставленными в межпутевом пространстве.


Сталеалюминиевое покрытие лабораторного корпуса в Ленинграде. В отечественной и зарубежной практике строительства применяются комбинированные сталеалюминиевыс конструкции, которые легче, чем стальные, и получаются меньшей стоимости, чем цельноалюминиевые. В 1980—1983 гг. в Ленинграде по проекту ЛенЗНИИЭПа построено здание лабораторного корпуса с уникальным сталеалюминиевым покрытием.

Корпус предназначен для гидравлической модели Невской губы Финского залива и дельты Невы в связи со строительством комплекса гидротехнических сооружений для защиты города от наводнений. Это однопролетное здание размерами в плане 70x164 м. По длине оно имеет два температурных шва шириной по 1 м, которые делят покрытие на три температурных блока, каждый длиной 54 м. На рис. 64 даны поперечный разрез, план температурного блока покрытия и основные узлы сопряжения стальных и алюминиевых конструкций.

Покрытие выполнено в виде пространственной двухпоясной внешне безраспорной арочно-вантовой системы. Пролет покрытия 69,7 м, максимальная высота 6 м. Верхним поясом системы является стальной складчатый свод 1 со стрелой подъема 4,5 м, а нижним поясом 2 — провисающая алюминиевая мембрана со стрелой провисания 1,5 м. Между складчатым сводом и мембраной расположены стальные распорные стойки 3. Покрытие опирается на подстропильные стальные балки 4, которые на отметке 12,722 м установлены на железобетонные колонны 5. Шаг колонн 6 м.

Стальной свод собран из панелей 6, имеющих размеры 1179х3000х12 000 мм. Панели изготовлены из гофрированного стального листа путем гиба вдоль образующей гофр таким образом, что была получена корытообразная форма поперечного сечения панели. Благодаря гофрам обеспечивается местная устойчивость стенок панелей, выполненных из листа толщиной 4 мм. Материал панелей — ВСт3пс6.

Для сборки в свод у каждой панели с торцов приварены ребра, в которых проделаны отверстия для болтов нормальной точности, чтобы получить фланцевые соединения и обеспечить необходимую геометрию свода. Складчатая конструкция здания образуется путем соединения панелей друг с другом по длинным сторонам болтами, поставленными в овальные отверстия. Опорные панели выполнены сварными из гладкого листа и имеют переменное по длине сечение. Сверху складчатого свода на панели уложены утеплитель из минераловатных плит и гидроизоляция.

Алюминиевая мембрана смонтирована на монтаже непосредственно из рулонированных лент шириной 1500 мм и толщиной 3,4 мм. Материал мембраны АМг2 1/2Н. Этот элемент покрытия является подвесным потолком и вместе со складчатым сводом образует теплое чердачное помещение, необходимое по требованиям технологии эксплуатации лаборатории. Одновременно в статической работе покрытия алюминиевая мембрана выполняет роль распределенной по плоскости потолка вантовой затяжки, воспринимающей распор свода. Совместная работа свода и затяжки обеспечивается конструкцией опорных узлов и стойками 3 из труб 0133x4 мм.

На узле А показаны конструкция присоединения алюминиевой мембраны к стальным элементам и опорные детали покрытия. Концы лент с помощью высокопрочных болтов 024 мм зажимаются траверсами, состоящими из двух стальных швеллеров № 24. Для предотвращения проскальзывания обжимающие поверхности покрыты эпоксидно-корундовым порошком. Траверсы имеют вертикальные фасонки, к которым на монтаже, после выверки всех конструкций, привариваются болты 050 мм из Ст18Г2С. Эти болты пропущены через отверстия в опорных элементах крайних панелей свода. С помощью опорных элементов происходит также опирание всей системы покрытия на подстропильные балки.

Сопряжение стоек с мембраной и сечение панели свода даны на узлах Б и В. Опирание стоек на мембрану осуществлено через стальные распределительные прогоны из гнутых профилей, благодаря которым исключается продавливание мембраны стойками. Распределительные прогоны и стойки соединяются с мембраной болтами, поставленными в отверстия, просверленные по месту после натяжения ленты и выверки положения стоек.

Для обеспечения общей пространственной жесткости покрытия, устойчивости отдельных элементов в процессе монтажа и восприятия ветровых нагрузок с торца корпуса между стойками поставлены продольные вертикальные связи, выполненные из одиночных стальных уголков. Схемы этих связей показаны на разрезах III—III и VI—VI.

Монтаж покрытия осуществлялся поэтапной укрупнитель-ной сборкой отдельных секций покрытия шириной 6 м, последующей компоновкой в температурный блок и надвижкой каждого блока в проектное положение. С этой целью в торце корпуса были устроены монтажные стальные подмости, на которых установлен кондуктор. На кондуктор расстилались алюминиевые ленты, устанавливались распределительные балочки под стойки, монтировались панели, которые соединялись между собой и стойками. В опорные детали концевых панелей вставлялись болты, которые после уточнения положения алюминиевых листов приваривались к фасонкам траверс. После этого производились постепенное натяжение лент мембраны и выверка конструкций. Натяжение прекращалось после того, как соседние ленты плотно внахлестку касались друг друга и можно было их соединить болтами. Величина вытяжки составляла около 80 мм на обе стороны при усилии на один болт примерно 55 кН.

Когда сборка первой 6-метровой секции была закончена, она приподнималась и отодвигалась на подстропильную балку, а рядом с ней начиналась сборка следующей, такой же. После сборки вторая секция подвигалась к первой и соединялась с ней болтами, устанавливаемыми в овальные отверстия. В такой же последовательности происходила сборка всех девяти секций, образующих температурный блок. После полной сборки температурный блок надвигался на свое постоянное место. Масса блока составила 300 т, а необходимое усилие для его надвижки — 250 кН на каждую сторону путей подстропильных балок.

В торцах покрытия устанавливались фахверковые безраскосные фермы, на которые навешивались панели стенового ограждения.

Для защиты против коррозии стальные детали, соприкасающиеся с алюминием, оцинкованы и, кроме того, между ними поставлены полиизобутиленовые прокладки — диэлектрики. Следует отметить некоторые технико-экономические показатели покрытия.

Расчетные нагрузки: от собственного веса покрытия с утеплителем и гидроизоляцией 1,44 кПа, технологическая нагрузка 0,06 кПа, от снега 1,4 кПа.

Сравним технико-экономические показатели покрытия лабораторного корпуса в Ленинграде и покрытия малой спортивной арены Центрального стадиона им. В.И. Ленина в Москве:

Складчатый свод. На рис. 65 показана панельно-каркасная конструкция свода, который составлен из ромбических панелей, согнутых по большой диагонали 1 и соединенных друг с другом на заклепках или болтах, поставленных в стыках 2. По меньшей диагонали согнутые панели объединяются распорками 3. Такая система из панелей и распорок образует пространственную конструкцию с первичной ячейкой во всех направлениях (треугольником). Этим обеспечиваются неизменяемость и пространственная работа элементов, особенно необходимая при несимметричной нагрузке, например от снега, подвесного транспорта и т. п. Такой свод может иметь несколько ярусов панелей по высоте. При этом не нужны ни вертикальные, ни горизонтальные связи.

При проектировании такой конструкции для ромбических панелей, изготовляемых из тонких листов, рекомендуются следующие соотношения их размеров: К/В меньше 1/5 и t/К больше 1/400.

Наиболее достоверным для такой конструкции является расчет ее как стержневой, у которой условные стержни совпадают с ребрами, образованными в местах стыков 2, по диагоналям 1 панелей и стержнями-распорками 3. Площадь условных стержней, которую следует принимать в расчет, для диагоналей и стыков с отгибами разная: для диагонали Fд = 0,8 Kt, для стыков 2Fс = (0,5 K+2nb)t, где К — половина короткой диагонали ромбической заготовки панели; b — высота отгиба; n — опытный коэффициент, равный 1,5 (в случае сварных соединений n=1, тогда Fс = 0,5Kt).

При проверке прочности панели на усилие N, найденное в условных стержнях из расчета складчатого свода как стержневой системы с учетом неравномерности включения в работу площади поперечного сечения листа, напряжения в диагональном и стыковых ребрах должны соответственно определяться по следующим формулам:

Эти формулы действительны при рекомендуемых соотношениях размеров панелей и узловом приложении нагрузки. В этом случае коэффициент с=1, при внеузловой нагрузке вводится коэффициент с=1,1.

Складчатые своды конструкции ЛенЗНИИЭП. На рис. 66 показан один из сводов, разработанных в ЛенЗНИИЭПе. От предыдущего он отличается тем, что собирается не из ромбических панелей, а из элементов складки, которые изготавливаются из стандартных листов размерами 1500x3000 мм путем гиба по диагонали листов и отбортовок по краям для соединения этих элементов между собой на болтах или заклепках.

Вторым отличием сводов этого типа является отсутствие распорок, поставленных по вершинам складок. Неизменяемость свода в продольном направлении обеспечивается пространственным элементом, установленным вдоль конька. В других случаях эту же функцию выполняет зенитная фонарная вставка, также смонтированная в коньке. Фонарная коньковая вставка значительно улучшает освещение внутреннего помещения за счет естественного света. Своды монтируются на ленточный или столбчатые фундаменты. Складчатые своды могут быть использованы как для холодных, так и для теплых помещений.

Ниже даны технико-экономические показатели для трех типов утепленных складчатых алюминиевых сводов (тип I, тип II — с зенитной фонарной вставкой, тип III — с коньковой вставкой):


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна