Рекомендации по проектированию и применению железобетонных (с внешним листовым армированием) висячих покрытий при реконструкции предприятий без остановки производства

(утв. НИИЖБ Госстроя СССР 15.03.1984)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА (НИИЖБ)

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ (С ВНЕШНИМ ЛИСТОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ) ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ПРЕДПРИЯТИЙ БЕЗ ОСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

Рекомендованы к изданию секцией бетонных и железобетонных конструкций № 2 НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 24 февраля 1984 г.

Рекомендации содержат основные положения по проектированию и применению висячих железобетонных (с внешним листовым армированием) конструкций для замены устаревших покрытий промышленных предприятий без остановки производства, а также по проектированию секций вновь строящихся зданий с укрупненным шагом колонн до 36 x 36 м. Приведены указания по конструированию и расчету прямоугольных висячих железобетонных (с внешним листовым армированием) конструкций пролетами до 200 м с отношением сторон 1,5:1. Даны примеры расчета.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.

Табл. 1, илл. 47.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Планами экономического и социального развития страны предусматривается непрерывное увеличение средств на реконструкцию и перевооружение действующих предприятий. Объясняется это тем, что эффективность капитальных вложений при модернизации и реконструкции действующих предприятий существенно выше, чем при строительстве новых.

Практикой выявлено, что во многих случаях реконструкция сопряжена с заменой покрытий промышленных зданий, которые исчерпали свои амортизационные сроки и нуждаются в обновлении.

Капитальный ремонт промышленных зданий, как правило, связан с остановкой производства на длительное время. В большинстве случаев при этом приходится строить специальные помещения, куда перевозят оборудование из старых корпусов, и лишь затем их перестраивают.

Настоящие Рекомендации составлены на основании анализа и обобщения результатов экспериментальных и теоретических исследований, проведенных в НИИЖБ и других организациях, а также экспериментального строительства, проведенного на московском заводе «Компрессор» и доказавшего, что можно без остановки производства заменить аварийное покрытие на большепролетное висячее и тем самым по существу преобразить здание. Кроме того, этот эксперимент подтвердил, что большепролетное железобетонное покрытие с внешним листовым армированием и при прямоугольном очертании может быть таким же экономичным, как и при круглом.

Рекомендации разработаны впервые и содержат основные положения по реконструкции действующих предприятий с применением висячих железобетонных оболочек с внешним листовым армированием прямоугольного плана. Кроме того, приведенные в Рекомендациях данные могут быть также использованы при проектировании вновь строящихся покрытий как большепролетных, так и средних пролетов, в том числе секций с укрупненным шагом колонн до 36 x 36 м.

Рекомендации разработаны в НИИЖБ Госстроя СССР д-ром техн. наук, профессором И.Г. Людковским (Приложения 2 и 3 составили инженеры А.В. Пасюта, А.А. Филякин и канд. техн. наук М.А. Иванов).

Замечания и предложения по содержанию Рекомендаций просим направлять в НИИЖБ по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Рекомендации предназначены для использования при проектировании и монтаже первоначально плоских большепролетных железобетонных оболочек с внешним листовым армированием, возводимых преимущественно над действующими производственными предприятиями, покрытия которых требуют замены. После возведения большепролетного покрытия все существующие внутренние колонны могут быть демонтированы и в результате улучшены эксплуатационные качества здания и освещенность рабочих мест за счет бокового освещения.

Примечание. Первоначально плоскими называются мембраны, которые на стадии изготовления не имеют стрелы провисания и получают ее только при разборке временных подмостей или при подъеме в результате деформаций самой мембраны и ее опорного контура.

1.2. Рекомендации распространяются в основном на висячие железобетонные с внешним листовым армированием покрытия прямоугольного очертания в плане, размер большей стороны которых не превышает 200 м, а соотношение сторон не более 1,5:1 (при l_{\text{макс}} = 200\text{м} ; l_{\text{мин}} = 133\text{м} ).

Примечание. При необходимости проектирования покрытий с большими пролетами или при отношениях сторон, превышающих 1,5:1, необходимо обращаться в НИИЖБ для получения дополнительных указаний.

1.3. Рекомендации распространяются и на покрытия с подвесным транспортом: кран-балки, монорельсы и др., а также на покрытия, возводимые над вновь строящимися зданиями. В последнем случае их следует изготавливать на нулевой отметке (без устройства лесов или подмостей) и вместе с опорным контуром поднимать на проектную отметку.

1.4. Рекомендации распространяются также и на покрытия, имеющие в плане очертания выпуклых многоугольников. Максимальные размеры таких покрытий не должны превышать величин, указанных в п. 1.2.

1.5. Висячие покрытия, возводимые над действующими промышленными зданиями или их частями, не обязательно должны повторять существующие в плане очертания, при этом могут быть перекрыты сразу несколько относительно мелких зданий вместе с прилегающими к ним проезжими частями (с соблюдением требований п. 1.2).

1.6. Железобетонная висячая оболочка с внешним листовым армированием состоит из стальной мембраны, замкнутого, как правило, железобетонного опорного контура, воспринимающего распор мембраны и передающего на поддерживающие конструкции вертикальные нагрузки, а также железобетонного слоя, расположенного непосредственно на мембране и предназначенного для ее стабилизации и защиты от коррозии.

1.7. Колонны, поддерживающие опорный контур, рекомендуется опирать на существующие конструкции, при этом обследованием должна быть подтверждена их достаточная несущая способность. Если на существующие стены и фундаменты нельзя передавать дополнительные нагрузки, колонны следует опирать на вновь возведенные фундаменты.

1.8. Если после возведения большепролетного покрытия внутренние подкрановые колонны сохраняются, необходима проверка их несущей способности, так как после демонтажа существовавших ферм изменяются условия их работы. Проектом должна быть подтверждена и общая устойчивость стен и всего здания в целом.

1.9. При опирании железобетонного висячего покрытия на существующие конструкции необходимо учитывать, что на них могут передаваться не только вертикальные, но и вызванные трением горизонтальные усилия. С целью уменьшения трения необходимо предусматривать подвижные опоры: катки, прокладки с графитовой смазкой или фторопластом и др. (см. пп. 4.11, 4.13 настоящих Рекомендаций).

1.10. Конструкции, несущие мембранное покрытие (колонны, стены), кроме вертикальных нагрузок, передаваемых на них от покрытия, следует рассчитывать и на горизонтальные нагрузки от ветра, определяемые по СНиП II-6-74 «Нагрузки и воздействия» (М., 1976). При этом необходимо принимать во внимание указание п. 1.9 настоящих Рекомендаций. Кроме того, необходимо учитывать и горизонтальные усилия, вызываемые сейсмическими воздействиями. Определение сейсмических нагрузок следует проводить по СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» (М., 1982).

Примечание. При расчете на горизонтальные нагрузки мембранное покрытие (вместе с опорным контуром) следует рассматривать как жесткий диск, передающий нагрузки на поддерживающие его конструкции. Само мембранное покрытие сейсмостойко, поэтому, как правило, не требует дополнительных специальных конструктивных мероприятий при сейсмических воздействиях. Частота и амплитуда колебаний обусловливается в основном массой покрытия и жесткостью поддерживающих конструкций.

1.11. Покрытия, размеры которых не превышают указанные в п. 1.2 настоящих Рекомендаций, следует проектировать без деформационных швов, но при этом необходимо принимать опоры, не препятствующие свободному перемещению конструкции (например, гибкие стойки). В расчете контура и опор необходимо учитывать усилия, вызываемые температурой.

1.12. При проектировании первоначально плоского мембранного покрытия необходимо учитывать начальные несовершенства, вызванные способом производства работ (прогибы временных подмостей, волнистость мембраны, хлопуны и коробления при сварке). Для устранения этих несовершенств следует предусматривать: вытяжку рулонов в процессе их развертывания, устройство жестких подмостей, предварительный выгиб контура наружу не менее чем на 1/500 пролета.

1.13. При проектировании и расчете опорного контура большепролетного покрытия необходимо учитывать возможность перепада температур между сезонами, а также между наружной и внутренней поверхностями контура (в случае, если он не будет утеплен снаружи, а внутри цеха будет избыточная температура). Уменьшить величину перемещения контура внутрь от понижения температуры можно за счет его выгиба наружу (в соответствии с п. 1.12 настоящих Рекомендаций).

При проектировании опорного контура необходимо предусматривать устройство подвижных опор (см. пп. 4.11, 4.13 - 4.15 настоящих Рекомендаций).

1.14. При необходимости получения опорного контура минимального поперечного сечения (например, при опирании покрытия на существующие колонны, стены и фундаменты), рекомендуется применять трубобетон (труба, заполненная бетоном). Отношение площади стальной трубы к площади бетонного ядра следует принимать не более 10%.

1.15. Сечение опорного контура рекомендуется определять из расчета на прочность при центральном сжатии за исключением угловых зон (на участке, примыкающем к вуту), см. Приложение 1 и п. 3.15 настоящих Рекомендаций.

1.16. В углах прямоугольного сборного контура необходимо делать горизонтальные вуты. Размеры стороны вута рекомендуется принимать равными 1/10 протяженности стороны контура. Высота вута должна быть не менее 1/2 высоты опорного контура (рис. 1). Рекомендуется также срезать углы прямоугольного контура и превращать его в восьмиугольный. Размер катетов срезных углов должен быть не меньше 1/10 протяженности сторон контура (рис. 2). Общее очертание сооружения при этом может оставаться прямоугольным и в углах могут располагаться слабонагруженные колонны (рис. 2, б).

Треугольные участки покрытия допускается перекрывать: плоской балочной конструкцией, а также консолями. В последнем случае могут отсутствовать угловые колонны.

1.17. Шаг колонн, поддерживающих опорный контур, рекомендуется назначать не более 12 м. При необходимости принятия шага колонн более 12 м допускается усиление опорного контура с помощью шпренгеля (см. пп. 5.33 - 5.39 настоящих Рекомендаций).

1.18. Покрытия вновь возводимых зданий рекомендуется проектировать с применением прямоугольных или квадратных секций с укрупненным шагом колонн, например, 18 x 18, 24 x 24, 30 x 30, 36 x 36 м (рис. 3). В прямоугольных секциях отношение сторон должно быть не более 1,5 (например, 12 x 18 м и т.д.). При опирании контура только в углах должны быть соблюдены указания пп. 5.24 - 5.39 настоящих Рекомендаций. Опорный контур по периметру может опираться на колонны, расположенные с меньшим шагом.

1.19. Мембрану рекомендуется выполнять из малоуглеродистых сталей (см. пп. 2.4 - 2.8 настоящих Рекомендаций), имеющих относительное удлинение при разрыве более 20%. При расчете мембранных конструкций можно не ограничиваться упругой стадией работы и допускать пластические деформации.

1.20. Не рекомендуется жесткое присоединение к мембране ребер или ферм, увеличивающих ее изгибную жесткость.

1.21. При необходимости разрешается прикреплять к мембране ребра или фермы для подвесного транспорта при условии их соединения с мембраной в отдельных точках (на подвесках). Ребра, высота которых не превышает 1/500 пролета покрытия, могут быть соединены с мембраной на всем своем протяжении.

1.22. Мембрану рекомендуется монтировать на строительной площадке из рулонов шириной от 6 до 12 м и длиной, равной пролету покрытия (рис. 4).

1.23. Соединение элементов мембраны между собой и с опорным контуром рекомендуется осуществлять внахлестку (шириной не более 100 мм) путем сварки сплошным швом и с помощью электрозаклепок (дуговая точечная сварка с принудительным проплавлением) диаметром 5 мм и с шагом 120 — 200 мм (рис. 5). Точечную сварку следует осуществлять в соответствии с «Рекомендациями по дуговой точечной сварке соединений элементов стальных строительных конструкций» (М., ЦНИИСК, 1981).

1.24. Для придания мембранному покрытию большей жесткости, а также с целью увеличения его пожаро- и коррозионно-стойкости рекомендуется поверх мембраны наносить бетонный слой толщиной 30 мм, который армируют рулонными сетками, приваренными к мембране.

Примечание. Следует подчеркнуть, что именно устройство на мембране армированного бетонного слоя и превращает покрытие в висячую железобетонную оболочку с внешним листовым армированием. Бетонный слой, нанесенный на мембрану, достаточно трещиностоек. В тех случаях, когда применяется утеплитель с относительно большой массой и суммарный собственный вес 1 м2 покрытия больше подъемной силы, вызываемой отсосом, а также при надлежащей антикоррозионной защите наружной поверхности мембраны бетонный слой может отсутствовать.

1.25. К покрытию разрешается подвешивать грузы до 100 кН — сосредоточенные, полосовые и распределенные на небольшой площади. Подвеску проектируют в соответствии с указаниями п. 6.7 настоящих Рекомендаций. Подвесные пути для кран-балки или тельферов рекомендуется крепить к мембране с помощью подвесок (см. п. 6.8 настоящих Рекомендаций).

1.26. При расчете железобетонных висячих покрытий с внешним армированием нагрузку от снега принимают согласно указаниям главы СНиП II-6-74. В проекте следует указать, чтобы снег с покрытия не удаляли.

1.27. Антикоррозионное покрытие внутренней поверхности мембраны при отсутствии внешнего железобетонного слоя обеих ее поверхностей назначают с учетом требований главы СНиП II-28-73 «Защита строительных конструкций от коррозии» (М., 1973).

1.28. Тонколистовые мембранные покрытия огнестойки, и их не надо защищать специальными огнестойкими составами.

1.29. В мембране разрешается делать круглый центральный вырез, например, для устройства фонаря. Площадь выреза должна быть не более 25% общей площади мембраны (рис. 6).

1.30. Допускается устройство вырезов и прямоугольной формы с размерами в плане не более 2 м с соответствующим их обрамлением (площадью поперечного сечения не менее 0,7 вырезанной части мембраны). Такие вырезы могут быть сделаны в пределах всей поверхности покрытия за исключением зон, примыкающих к опорному контуру и подвесной нагрузке. Расстояния между вырезами в обоих направлениях мембраны, а также между вырезами и опорным контуром или подвесной нагрузкой должны быть не менее 2 м (длин) вырезов.

1.31. Висячее покрытие проектируют с внутренним водоотводом в виде стальных труб, подвешенных к покрытию и имеющих уклон от центра к опорному контуру не менее 1/200 длины водоотвода.

1.32. При применении висячих покрытий следует стремиться к отказу от рулонных кровель. В качестве утеплителя рекомендуется применять напыляемый пенополиуретан, поверх которого не требуется устройство рулонных кровель.

1.33. Отдельные очаги коррозии или местные повреждения мембраны не снижают общей прочности покрытия. Поврежденные участки могут быть удалены и заменены новыми либо обработаны преобразователями ржавчины, после чего на них следует поставить заплатки.

2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ

2.1. Для железобетонного опорного контура рекомендуется применять бетон и арматуру в соответствии с требованиями главы СНиП II-21-75 и настоящих Рекомендаций:

тяжелый бетон марки не ниже М300;

стержневую рабочую арматуру: горячекатаную периодического профиля классов А-III и выше и термически упрочненную — периодического профиля классов Ат-IV, Ат-V;

трубы стальные электросварные по ГОСТ 8732-78.

2.2. Для защитного железобетонного слоя, укладываемого по мембране, рекомендуется применять мелкозернистый бетон. В качестве арматуры защитного слоя следует применять обыкновенную арматурную проволоку классов Вр-I и В-I. Толщину защитного слоя бетона для рабочей арматуры опорного контура назначают не менее 25 мм.

2.3. Расчетные сопротивления и другие характеристики бетона и арматуры следует принимать по СНиП II-21-75, а для труб — по ГОСТ 380-71*.

2.4. Для мембран рекомендуется применять горячекатаную рулонную сталь по ГОСТ 19903-74* углеродистую, спокойную и полуспокойную мартеновскую сталь, обыкновенного качества марки ВСт.3сп и ВСт.3пс по ГОСТ 380-71*, механические свойства которой удовлетворяют требованиям ГОСТ 16523-70*.

2.5. Для мембран допускается применение горячекатаной прокатной тонколистовой стали, горячекатаной тонколистовой кровельной, оцинкованной и декапированной стали по ГОСТ 19903-74* марок, механические свойства которых удовлетворяют требованиям ГОСТ 16523-70*, 17715-72* и 7118-78.

2.6. При соответствующем обосновании допускается для мембран применение горячекатаной стали низколегированной конструкционной по ГОСТ 16523-70*, тонколистовой качественной углеродистой конструкционной по ГОСТ 16523-70*, тонколистовой легированной конструкционной по ГОСТ 1542-71* и тонколистовой коррозионно-стойкой по ГОСТ 5582-75*.

2.7. Разрешается применение холоднокатаных сталей, если в расчете будет учтена анизотропность механических свойств листа в направлениях вдоль и поперек прокатки.

2.8. При изготовлении мембран из листовой или полосовой стали толщиной менее 4 мм предел ее текучести и временное сопротивление устанавливаются на основании испытаний по ГОСТ 1497-73*.

3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПОКРЫТИЯ

3.1. Расчет висячего первоначально плоского мембранного покрытия на действие вертикальных нагрузок рекомендуется производить с учетом геометрической нелинейности в связи с его большой деформативностью и кинематической изменяемостью.

В тех случаях, когда напряжения в мембране превышают предел упругости стали, необходимо учитывать и физическую нелинейность.

3.2. Расчет мембранной конструкции следует производить с учетом податливости опорного контура с помощью ЭВМ с использованием одной из программ, характеристики которых приведены в Приложении 2.

3.3. При расчете мембраны следует учитывать, что за счет начальных несовершенств мембраны она провиснет и без нагружения на 1/70 наибольшей стороны прямоугольника (при многоугольном очертании — описанного прямоугольника).

При окончательном расчете, а также при определении общей стрелы провисания мембраны в процессе проектирования, эта начальная стрела провисания должна быть учтена, т.е. фактически первоначально плоскую мембрану следует рассчитывать как уже имеющую указанную стрелу провисания, полученную без напряжения (за счет кинематических перемещений).

3.4. Для предварительных расчетов (на первой стадии проектирования) усилия в мембране и опорном контуре могут быть определены по безмоментной теории оболочек. Если покрытие прямоугольное, то в качестве расчетного пролета следует принимать большую сторону покрытия, т.е. считать его условно квадратным. На этой стадии расчета нагрузка принимается симметричной.

Усилие в мембране (равное ее распору) определяют по формуле

Сжимающие усилия в опорном контуре определяют по формуле

В расчетах на этой стадии конечная стрела провисания мембраны (с учетом начальных несовершенств) может быть принята равной , где l_{1} — большая сторона прямоугольника.

В этом случае:

усилия в квадратной и прямоугольной мембранах с соотношением сторон l_{1} = (1,25 - 1,5)l_{2} ( l_{2} — меньшая сторона прямоугольника) определяют по формуле

усилия в опорном контуре прямоугольного очертания определяют по формуле

3.5. При более точном методе расчета может измениться стрела провисания покрытия и в связи с этим расчетные усилия в мембране и контуре.

Стрелу провисания покрытия следует определять с учетом указаний п. 3.3 настоящих Рекомендаций.

3.6 Очертание мембраны в ее рабочем положении можно определять по формуле

где l — пролет;

f — стрела провисания.

Принятые обозначения см. на рис. 7.

Примечание. За счет прогиба контура фактическое очертание мембраны в приопорных областях может отличаться от получаемого по формуле (5). Стрела провисания y на участке от x = 0 до x = 0,2l может быть больше.

3.7 Длину мембраны можно определять по формуле

3.8 Пологие мембраны работают, как правило, в упругой стадии.

3.9. Следует учитывать, что малые пластические деформации мембраны не опасны для покрытия в целом, так как вызывают увеличение стрелы провисания. Местные повреждения мембраны также не опасны для покрытия.

Надежность висячего покрытия, как правило, определяет опорный контур.

Расчет по прочности сечений контура следует проводить с учетом всех факторов: сжатия, кручения, изгиба в вертикальной плоскости и горизонтальной (в углах) в соответствии со СНиП II-21-75.

3.10. Для предварительных расчетов (на первой стадии проектирования) нагрузки на колонны и изгибающие моменты в вертикальной плоскости опорного контура следует определять исходя из эпюры вертикальной нагрузки на опорный контур, показанный на рис. 9.

g — нагрузка от собственного веса опорного контура, Н/м;

q_{1} — постоянная и временная вертикальные нагрузки, передаваемые на опорный контур мембраной и определяемые по формуле

где q — полная расчетная нагрузка (постоянная и временная) на 1 м2 мембраны;

F — площадь мембраны.

Для квадратных мембран

3.11 Вертикальные изгибающие моменты над опорами и в пролетах неразрезного опорного контура определяют по формуле

где P = q_{1} + g — интенсивность нагрузки над первой от края опорой.

В однопролетном покрытии (при опирании контура только в углах) расчетный момент в пролете определяют по формуле

При жестком соединении контура с колоннами следует определять моменты из расчета рамной системы.

3.12. Проверку прочности сечений нормальных к продольной оси опорного контура следует проводить в середине длины элемента контура на максимально сжимающие усилия, а в угловой зоне — на изгибающий момент, определяемый по формуле (12). Влияние прогиба на несущую способность не должно учитываться.

3.13. Расчет элементов сплошного сечения из тяжелого бетона с косвенным армированием следует проводить в соответствии с п. 3.22 СНиП II-21-75.

3.14. При расчете трубобетонных элементов, а также элементов круглого поперечного сечения, армированных спиральной или кольцевой арматурой при диаметрах поперечного сечения контура больших, чем 500 мм, и при проценте армирования более 8 (\mu \geq 8\%) в формуле (51) СНиП II-21-75 вместо коэффициента 2 следует принимать коэффициент 1,5

3.15. В местах примыкания вутов к контуру на внешних сторонах контура возникают растягивающие усилия. В связи с этим опорный контур на протяжении 0,15 пролета от угла на внешних боковых гранях должен иметь дополнительную арматуру, сечение которой должно быть достаточным для восприятия изгибающего момента, определяемого по формуле

При восприятии поперечным сечением трубобетонного контура указанного момента допускаются и пластические деформации.

3.16. Мембраны, квадратные в плане и близкие к квадрату, на значительной части поверхности (за исключением угловых зон) работают как очень пологие сферические оболочки, в которых меридиональные усилия равны кольцевым.

Напряжения в мембране следует определять по формуле

где H — расчетное усилие на единицу поверхности мембраны, определяемое в соответствии с п. 3.4;

t — толщина мембраны.

На первых стадиях проектирования толщина квадратной в плане мембраны t (в м) может быть определена по формуле

где R_{a} — расчетное сопротивление (по пределу текучести), МПа.

В большепролетных мембранах рекомендуется принимать стали с повышенным расчетным сопротивлением (имеющие расчетный предел текучести 270 — 340 МПа).

3.17. Ориентировочную величину перекрываемых пролетов квадратных в плане покрытий можно определять по таблице в зависимости от толщины мембраны, расчетного сопротивления стали (по пределу текучести) и расчетных нагрузок на 1 м2 покрытия.

Величина перекрываемых квадратной мембраной пролетов (в м)

Толщина мембраны t \cdot 10^{3} , м	Расчетное сопротивление R_{a} , МПа
	210		270		340
	Расчетная нагрузка q, Н/м2
	2000	2500	2000	2500	2000	2500
2,0	100	85	135	110	170	135
2,5	125	100	170	130	200	170
3,0	150	125	200	160	200	200
4,0	200	170	200	200	200	200

Примечания:

1. Указанные в таблице величины пролетов являются максимальными. Они определены из упругой работы стали и при стреле провисания мембраны, равной 1/32 пролета.

2. В таблице не приведены пролеты более 200 м, так как Рекомендации не предусматривают перекрытия пролетов больших размеров.

4. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОПОР

4.1. Фундаменты под колонны, если возможно, следует выполнять на естественном основании в виде железобетонных (монолитных или сборных) отдельных либо ленточных элементов. В стесненных условиях, вблизи существующих конструкций, в сухих и маловлажных грунтах фундаменты рекомендуется делать на буронабивных сваях, а в несвязанных, слабых и обводненных грунтах набивные сваи или отдельные бетонные опоры в виде прямоугольных или тавровых элементов следует выполнять методом «стена в грунте». Фундаменты должны быть возведены до нулевой отметки и иметь анкерные болты.

Колонны рекомендуется опирать непосредственно на буронабивные сваи.

4.2. При опирании колонн на существующие кирпичные стены рекомендуется делать монолитный железобетонный распределительный пояс, армированный конструктивной симметричной арматурой (рис. 10). При большом шаге колонн (12 м) сплошной пояс может быть заменен отдельными распределительными монолитными железобетонными элементами (рис. 11).

4.3. Колонны, поддерживающие опорный контур, могут быть выполнены как из металла, так и из железобетона.

4.4. В связи с неизбежным смещением верха колонн их следует проектировать передельно гибкими в соответствии с требованиями глав СНиП II-23-81 «Стальные конструкции» (М., 1981) и СНиП II-21-75.

4.5. Расчетную длину колонн l_{o} следует принимать равной l_{0} = 1,5H , где H — высота колонны от низа до опорного контура. Гибкость колонн (отношение расчетной длины к радиусу инерции сечения) не должна превышать 100 (l_{0}/r \leq 100) .

4.6. Железобетонные колонны следует рассчитывать по действующим нормам проектирования как внецентренно сжатые элементы с учетом случайных начальных эксцентриситетов, а также влияния прогиба на их несущую способность.

4.7. Если опорный контур жестко соединяется с верхом колонн и превращается в рамную систему, необходимо проводить расчет колонн и с учетом возникающих в них изгибающих моментов.

4.8. Стальные колонны рекомендуется проектировать в виде сплошностенчатых элементов (в виде двутавров или труб) и рассчитывать их в соответствии со СНиП II-23-81.

4.9. Стальные трубы, применяемые в качестве колонн, можно заполнять бетоном и рассчитывать как трубобетонные элементы. При этом следует иметь в виду, что эффективность трубобетона в гибких элементах не столь высока, как в коротких.

4.10. Колонны с фундаментом или распределительным поясом рекомендуется делать шарнирно, например, крепить с помощью двух болтов, устанавливаемых по оси колонны (рис. 12).

4.11. При опирании коротких колонн на существующие стены рекомендуется между распределительным поясом и колонной делать прокладки в виде двух стальных листов, которые смазывают графитом либо укладывают между ними слой фторопласта толщиной 2 — 3 мм (см. рис. 12). При этом отверстия для болтов должны быть овальными.

4.12. В угловых колоннах большепролетного покрытия при опирании контура на колонны, расположенные с шагом менее 6 м, могут возникнуть растягивающие усилия при полной расчетной нагрузке на покрытии. Нельзя допускать, чтобы углы покрытия приподнимались. Для этого угловые колонны должны быть заанкерены в основаниях и жестко соединены с опорным контуром. Колонны и их анкерные крепления помимо сжимающего усилия (которое возникает в них от собственного веса покрытия в процессе монтажа) должны быть рассчитаны на растягивающие усилия, равные 1/16 полной расчетной снеговой нагрузки на покрытие

где p — расчетная снеговая нагрузка на 1 м2 покрытия;

l_{1} и l_{2} — пролеты прямоугольного покрытия.

4.13. Если между существующей стеной и опорным контуром мембраны из-за небольшого расстояния между ними нет надобности в устройстве колонн, опорный контур может опираться непосредственно на распределительный пояс. При этом рекомендуется применение прокладок, не препятствующих горизонтальному смещению контура: в виде стальных листов, смазанных графитом или слоя фторопласта (рис. 13). Рекомендуется также применение катков из круглых стержней диаметром 32 — 40 мм (рис. 14).

4.14. Опорный контур может быть соединен с колоннами с помощью подвесок. Такой тип соединения рекомендуется только при двухветвевых (составных) колоннах, так как в поперечном направлении верхний конец колонн при этом свободен.

4.15. Опорный контур с колоннами можно соединять и гофрированным листом. Такой лист не препятствует поперечным перемещениям опорного контура, но он препятствует смещению верха отдельных колонн в продольном направлении (из плоскости рам). Расчетную длину колонн при этом рекомендуется принимать в поперечном направлении равной 2H, а в продольном направлении равной H (H — полная высота колонн от верха фундамента до верха опорного контура), рис. 15.

4.16. Соединение колонн с опорным контуром рекомендуется делать жестким, но возможно и шарнирное соединение.

4.17. В процессе монтажа покрытия необходимо обеспечивать устойчивость колонн системами постоянных и временных вертикальных связей. Временные (съемные) связи могут быть инвентарными, они могут обеспечивать и выверку конструкции в процессе монтажа.

4.18. В большепролетных покрытиях вертикальные связи должны быть установлены во всех углах каждого из направлений, а при длине покрытия более 60 м следует предусматривать и промежуточные вертикальные связи посередине каждой стороны здания.

4.19. При опирании отдельных прямоугольных секций покрытия на колонны только в углах и при жестком соединении колонн с опорным контуром, т.е. при рамной конструкции связи не требуются. Колонны при этом должны быть способны воспринять горизонтальные усилия от ветровой и сейсмической нагрузок.

4.20. В целях увеличения жесткости узлов рам в местах примыкания опорного контура к колоннам следует делать вертикальные вуты, например, в виде стальных косынок (приваренных к закладным деталям в колоннах и контуре), стороны которых должны быть не менее ширины колонны.

5. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОПОРНОГО КОНТУРА

5.1. Железобетонные опорные контуры рекомендуется проектировать монолитными либо сборно-монолитными, изготовленными из бетона марки не ниже М300. В качестве арматуры рекомендуется применять продольные стержни класса А-III и выше. При этом продольное армирование не должно превышать 15% и быть меньше 1%.

5.2. Сборно-монолитные элементы опорного контура с целью их облегчения рекомендуется выполнять корытообразного сечения. Полость заполняют бетоном после монтажа.

Примечание. Допускается применение и сборного железобетона в покрытиях, возводимых над вновь строящимися зданиями, монтируемыми на нулевой отметке, т.е. в тех случаях, когда можно надежно выполнить стык между сборными элементами.

5.3. Опорный контур рекомендуется также проектировать в виде трубобетонного элемента с применением стальных электросварных труб диаметром от 426 до 920 мм.

В трубобетонном контуре может быть установлена дополнительная продольная арматура, располагаемая внутри бетонного ядра. Процент армирования не должен быть более 10, с тем чтобы общий процент (с учетом трубы) был не более 20 (рис. 16).

5.4. Заполнение стальной трубы бетоном можно производить в проектном положении с помощью бетононасоса (рис. 17).

5.5. Отношение ширины (или диаметра) поперечного сечения опорного контура к его полной длине (протяженности стороны прямоугольника) должно быть не менее 1/100.

5.6. Монолитный опорный контур, возводимый в рабочем положении, может быть выполнен с внешним армированием в виде уголков, соединенных между собой поперечной арматурой. При этом жесткие стальные пространственные каркасы должны быть рассчитаны на вес бетона и опалубки. При выполнении сборно-монолитного железобетонного контура из сборных корытообразных элементов перед укладкой монолитного бетона необходимо выполнить замкнутые хомуты.

5.7. При опирании контура на колонны с шагом более 12 м или только по углам на его нижней грани могут возникнуть растягивающие усилия. В целях их уменьшения рекомендуется прикреплять мембрану ниже центра тяжести сечения опорного контура, с тем чтобы сжимающая сила выгибала его вверх, т.е. в направлении, противоположном прогибу от вертикальных нагрузок (см. пп. 5.24 - 5.32 настоящих Рекомендаций).

5.8. В зависимости от шага колонн и условий монтажа поперечное сечение опорного контура может быть развито в вертикальной или горизонтальной плоскостях. При шаге колонн более 6 м следует развивать сечение контура в вертикальной плоскости либо делать его квадратным.

5.9. При изготовлении покрытия на нулевой отметке и подъеме его в проектное положение ширину контура следует назначать с учетом размеров отверстия для пропуска колонн. Расстояние от наружной грани контура до выреза должно быть не менее 150 мм. Сечение с вырезом должно быть равнопрочным с сечением без отверстия за счет дополнительного армирования первого.

5.10. В трубобетонном контуре не рекомендуется устраивать отверстия под колонны для подъема покрытия (в случае его изготовления на уровне земли). Колонны в этих случаях следует располагать в соответствии с указаниями пп. 4.14 и 5.36 настоящих Рекомендаций.

5.11. Диаметр продольных стержней в опорном контуре должен быть не менее 16 мм и, как правило, не более 40 мм.

При устройстве стыков рабочей продольной арматуры внахлестку без сварки длину пропуска стыкуемых стержней следует принимать не менее 30d (d — диаметр рабочей арматуры).

5.12. Рабочую продольную арматуру следует располагать по всему периметру поперечного сечения контура. При этом возможно несимметричное расположение арматуры. Расстояние между продольными стержнями должно быть не более 400 мм.

5.13. Диаметр хомутов должен быть не менее 0,25d и не менее 5 мм. Хомуты должны быть обязательно приварены к продольной арматуре, а расстояние между хомутами не должно превышать 10 диаметров продольных стержней. Хомуты должны быть замкнутыми с перепуском их концов друг за друга на 30 диаметров (рис. 18).

5.14. Продольные стержни (по крайней мере через один) должны располагаться в местах перегиба хомутов, а эти перегибы — на расстоянии не более 400 мм по ширине грани элемента. При ширине грани не более 400 мм и числе продольных стержней у этой грани не более четырех допускается охват стержней одним хомутом. Если размер одной из граней сечения более 800 мм, ставятся дополнительные хомуты согласно рис. 19.

5.15. По грани контура, на которой располагается закладная деталь для крепления мембраны, если основная поперечная арматура недостаточна, следует предусматривать дополнительную поперечную арматуру (в виде сеток или подвесок) для передачи нагрузки в верхнюю зону контура.

5.16. Монолитный опорный контур прямоугольного сечения можно армировать отдельными плоскими сварными каркасами, которые при монтаже превращаются в пространственный каркас путем приварки поперечных стержней точечной сваркой (при помощи клещей).

5.17. Соединение мембраны с опорным контуром следует осуществлять с помощью закладных элементов (рис. 20) либо (при трубобетонном контуре) с помощью переходных (приопорных) листов, привариваемых до монтажа мембраны к контуру (рис. 21).

5.18. Мембрану можно присоединить к опорному контуру как в центре тяжести сечения, так и ниже его. Возможно соединение мембраны с опорным контуром в нижней его плоскости (см. п. 5.23 настоящих Рекомендаций).

5.19. Закладные элементы рекомендуется осуществлять в виде стальных полос с приваренными к ним анкерами из стержневой арматуры периодического профиля. Анкера должны заходить в бетон опорного контура не менее чем на 15 диаметров. Рекомендуется доводить анкера до противоположной грани опорного контура. Анкера следует располагать снизу закладной детали. Закладные элементы рекомендуется ставить с наклоном (вниз) не менее чем 5° (см. рис. 19).

5.20. Приопорные полосы должны выступать за грани опорного контура не менее чем на 150 мм. Толщина полос должна быть не менее 4 мм и она должна быть на 2 мм больше, чем мембрана. Длину приопорных полос следует принимать не менее 2 м. После укладки бетона и закрепления в нем полос они должны быть сварены между собой.

5.21. Диаметр анкеров должен быть не менее 18 мм. Площадь их поперечного сечения, марку стали и шаг следует назначать с таким расчетом, чтобы анкера были равнопрочными основному сечению мембраны. Для анкеров следует применять стержневую арматуру периодического профиля классов А-II и А-III. Шаг между анкерами не следует принимать менее чем 150 мм, но не более 250 мм.

5.22. Соединение анкерных стержней с приопорным листом рекомендуется осуществлять внахлестку с применением электродуговой сварки фланговыми швами (см. рис. 20). Длина односторонних швов должна быть не менее 5 диаметров, а двусторонних — 2,5 диаметра. Высота сварного шва h должна составлять 0,25 диаметра, но не менее 5 мм, а ширина b — 0,5 диаметра, но не менее 9 мм (рис. 22).

5.23. При изготовлении покрытия на нулевой отметке опорный контур, как правило, следует выполнять железобетонным. Мембрану можно присоединять к опорному контуру по нижней его грани в соответствии с рис. 24 - 28. Такой тип соединения рекомендуется при опирании контура только в углах либо при большом шаге колонн. Для передачи нагрузки в верхнюю зону опорного контура следует предусматривать необходимое количество поперечной арматуры, главным образом по внутренней грани опорного контура (см. п. 5.14 настоящих Рекомендаций).

5.24. Трубобетонный опорный контур может быть применен и для покрытий, опирающихся только в углах. Мембрану к стальной трубе рекомендуется при этом присоединять снизу в соответствии с рис. 23.

5.25. Если для уменьшения изгибающего момента в вертикальной плоскости необходимо увеличить эксцентриситет, рекомендуется к низу трубы приваривать швеллер (рис. 24).

5.26. Трубобетонный опорный контур может иметь стержневую арматуру, расположенную внутри его сечения. Несущую способность такого элемента следует определять в соответствии с п. 3.15 настоящих Рекомендаций.

5.27. Железобетонный опорный контур секций мембранных покрытий, опирающихся на колонны только в углах при шаге колонн до 24 x 24 м включительно, рекомендуется выполнять переменной высоты (трапецеидального двускатного очертания), с тем чтобы по его длине эксцентриситет крепления мембраны относительно центра тяжести сечения элементов контура увеличивался и имел наибольшее значение в центре. Высоту элемента опорного контура в середине пролета рекомендуется принимать в 2 раза и более, чем на опоре.

5.28. При креплении мембраны в пределах высоты опорного контура поперечное его сечение может быть тавровым (с шириной полки не менее 400 мм), рис. 25.

5.29. При креплении мембраны к низу опорного контура поперечное его сечение может быть прямоугольным: сплошным (рис. 26) либо П-образным (рис. 27). Такое П-образное сечение целесообразно при больших пролетах, когда необходимо обеспечить устойчивость верхних поясов элементов опорного контура и предусмотреть отверстия для пропуска колонн. П-образный опорный контур должен иметь поперечные ребра в связи с тем, что в нем возникают крутящие моменты. В приопорных участках П-образный контур не должен иметь пустот (см. рис. 28).

5.30. Железобетонные (трубобетонные) опорные контуры секций мембранных покрытий, опирающихся на колонны только по углам, рекомендуется проектировать с применением сборных угловых элементов, с помощью которых соединяются друг с другом и с колоннами два, три и четыре элемента опорного контура (рис. 28).

5.31. Соединение угловых элементов с опорным контуром следует осуществлять с помощью сварки между собой закладных деталей и заливкой стыка бетоном (желательно применение напрягающего цемента).

5.32. Угловые элементы служат одновременно и вутами опорного контура. Возможные варианты соединения между собой элементов опорного контура с применением железобетонных угловых элементов, имеющих металлические закладные детали, показаны на рис. 29. Аналогичный тип стыка рекомендуется и для соединения между собой трубобетонных элементов опорного контура.

5.33. Отверстия в угловых элементах для пропуска через них колонн выполняют в виде усеченного конуса, меньшее основание которого должно быть расположено вверху. Угол наклона между боковой гранью и вертикальной поверхностью следует принимать в пределах 5 — 10°.

5.34. Опорный элемент и колонны перед заливкой стыка должны быть соединены друг с другом с помощью сварки закладных элементов. Стык между опорным элементом и колонной рекомендуется зачеканивать цементным раствором. При отрицательной температуре все стыки необходимо прогревать.

5.35. В опорном контуре возможно устройство наружных консолей: железобетонных или металлических (рис. 30). При устройстве металлических консолей рекомендуется применение мембраны. Консоли должны иметь небольшой уклон внутрь (для удаления воды).

5.36. При изготовлении секций мембранных покрытий на нулевой отметке с применением трубобетонных контуров либо контуров из стальных труб и вутов из стальных профилей колонны могут располагаться в соответствии с рис. 31. Отверстия для пропуска колонн устраивают в мембране, а опорный контур опирают на консоли, присоединяемые к закладным деталям колонн после подъема покрытия в проектное положение. Возможно применение и двухветвевых колонн. Отдельные ветви таких колонн соединяют между собой (планками или решеткой) по мере подъема покрытия. Двухветвевые колонны рекомендуется применять не только для небольших секций покрытия, но и для большепролетного покрытия, изготовленного на нулевой отметке.

5.37. Железобетонный (трубобетонный) опорный контур секций покрытий, опирающихся на колонны только в углах при шаге колонн 24 x 24 м, рекомендуется выполнять в виде шпренгеля (рис. 32), верхний пояс которого железобетонный или трубобетонный, а нижний — из стальных прокатных профилей (швеллеров или уголков). Для нижнего пояса можно применять и стержневую арматуру диаметром не менее 32 мм. Верхний пояс шпренгеля может быть составным из сборных или сборно-монолитных элементов с жесткими равнопрочными стыками, способными воспринимать изгибающие моменты.

5.38. Нижний пояс шпренгеля следует присоединять к верхнему после частичного подъема покрытия с земли. До усиления контура с помощью шпренгеля каждую секцию поднимают минимум в восьми точках. Для этой цели помимо угловых постоянных опор следует предусматривать дополнительные временные, которые можно демонтировать после установки нижнего пояса шпренгеля.

5.39. Стойки шпренгеля следует устанавливать с помощью реечных домкратов. Это позволит осуществить предварительное напряжение конструкции, исходя из чего следует назначать длину стоек.

6. КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕМБРАН

6.1. Мембраны, как правило, монтируют на стройплощадке из рулонов. Ширину рулонов при изготовлении на специальном заводе рулонных заготовок следует принимать не менее 6 и не более 18 м (см. рис. 4). При назначении ширины рулонов следует учитывать размеры на перепуски в стыках (см. п. 1.23 настоящих Рекомендаций). Длина рулонов должна соответствовать размеру перекрываемого пролета.

6.2. Раскатывание рулонов рекомендуется производить в коротком направлении покрытия.

6.3. Рулоны можно изготавливать из рулонной стали (ГОСТ 19903-74*), с тем чтобы сократить количество сварных работ, исключить поперечные швы и уменьшить образование неровностей.

6.4. Мембраны отдельных секций небольших размеров (до 30 м) можно изготавливать на стройплощадке из рулонной стали и без предварительного укрупнения рулонов на заводе.

6.5. Мембраны рекомендуется принимать толщиной не менее 1,5 и не более 4 мм. Толщину мембраны следует назначать минимальной, обеспечивая надлежащую ее защиту от коррозии. Если возможно, рекомендуется применять для мембраны картон или также защитное напыленное покрытие из алюминия или цинка.

6.6. Соединения отдельных полос мембраны между собой и с опорным контуром должны быть выполнены внахлестку путем сварки сплошным прочным и плотным швом и закрепления нижнего конца полос электрозаклепками (дуговая точечная сварка с принудительным проплавлением) диаметром 5 мм и шагом 120 — 20 мм. Точечную сварку следует осуществлять в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК (см. п. 1.23 настоящих Рекомендаций). Разрешается нижний конец сваривать потолочным прерывистым швом.

Зазоры между рулонами (на нижней поверхности покрытия) тщательно зачеканивают герметиком, после того как мембрана примет свое окончательное очертание.

6.7. Все сосредоточенные нагрузки рекомендуется передавать на мембрану с помощью подвесок или болтов. Подвески и болты пропускают сквозь мембрану. Они должны иметь на торце шайбу толщиной не менее 10 мм при этом D_{\text{ш}} \geq 15d (рис. 33). Шайба должна быть тщательно сварена с подвеской или болтом и приварена по всему периметру к мембране плотным швом.

6.8. Пути для кран-балок или тельферов следует прикреплять к мембране подвесками, длину которых можно регулировать резьбовыми соединениями. Жесткость путей в поперечном направлении может быть обеспечена, например, конструкцией подвесок в виде треугольников (рис. 34) или связей. Если после выполнения кровельных работ на мембрану надо передавать нагрузки, то к ней следует приваривать отдельные ребра небольшой протяженности из прокатных профилей металла (рис. 35). К ребрам должны быть заранее приварены подвески.

6.9. Вырезы в мембране для фонарей следует осуществлять после того, как по их периметру выполнены обрамляющие кольца, которые рекомендуется приваривать к плоской ненапряженной мембране (до ее раскружаливания или подъема).

Кольца рекомендуется выполнять из полосовой стали в пакете полос (рис. 36). При этом полоса, непосредственно соединяемая с мембраной, должна быть толщиной не более 0,02 м. Площадь поперечного сечения кольца должна составлять не менее 0,7 вырезанной части мембраны (см. п. 1.29 настоящих Рекомендаций). Стыки между полосами рекомендуется делать вразбежку, с тем чтобы каждый верхний ряд полос перекрывал стык нижележащих. При круглом вырезе обрамляющие кольца могут быть выполнены в виде описанного многоугольника с числом сторон не менее шести.

Небольшие отверстия в мембране, например, для пропуска труб, могут не иметь обрамления. Вырезы площадью более 0,5 м2 должны иметь обрамления.

6.10. На мембране могут быть возведены отдельные помещения, например, для вытяжки. При этом необходимо по их периметру делать в покрытии уклоны, с тем чтобы обеспечить скорейшее удаление воды. При устройстве большой надстройки в центре мембранного покрытия воронки для удаления воды следует располагать по периметру надстройки. Располагать в надстройках оборудование с динамическими нагрузками не рекомендуется.

6.11. В большепролетных покрытиях (площадью более 1000 м2) водоудаление следует осуществлять с помощью кольцевого коллектора, в который вода должна поступать из воронок и отводиться из него в ливневую канализацию с помощью водоотводящих труб, подвешенных к мембране (см. п. 1.31 настоящих Рекомендаций).

В висячем покрытии даже небольшой площади (например, в секции 15 x 15 м) должно быть не менее двух воронок. Вторую воронку располагают над водоотводящей трубой на расстоянии не менее 3 м от воронки, расположенной в центре (рис. 37).

При устройстве в центре покрытия фонаря рекомендуется делать кольцевой коллектор независимо от площади покрытия.

6.12. В качестве арматуры защитного бетонного слоя применяют привариваемые поверх мембраны сварные сетки плоские или рулонные из холоднотянутой низкоуглеродистой проволоки и из низколегированной катанки периодического профиля диаметром 3 — 4 мм.

Шаг стержней в обоих направлениях сетки должен составлять не более 300 мм. Делать ячейки менее 200 мм не рекомендуется. Количество сварных точек на 1 пог. м сетки должно быть не менее трех.

Вместо сварных и рулонных сеток возможно изготовление арматуры непосредственно на покрытии. При этом проволоку из бунтов следует раскатывать в двух направлениях с указанным шагом и приваривать к мембране.

6.13. Нанесение бетонного слоя поверх мембраны следует начинать с центра покрытия, равномерно приближаясь к периферии. В процессе укладки в защитном слое делают с помощью досок временные швы шириной 100 мм, разбивая защитный слой на ячейки с размерами сторон не более 6 м.

Швы заполняют через 3 сут после укладки защитного слоя бетоном желательно с применением напрягающего цемента. В первые дни после укладки бетон необходимо систематически поливать и защищать от солнца. Целесообразно покрывать бетон слоем праймера.

6.14. Мембрану без внешнего железобетонного слоя следует сверху защищать от коррозии в соответствии с указаниями главы СНиП II-28-73* (см. п. 1.24 настоящих Рекомендаций).

6.15. В качестве утеплителя мембранного покрытия, защищенного железобетонным или антикоррозионным слоем, применяют эффективный плитный материал (пенополистирол и др.), по которому затем устраивают рубероидную кровлю.

Утепление рекомендуется осуществлять также в виде напыленного пенопласта (изоциануратный пенополиуретан) объемной массой 70 кг/м3. Благодаря закрытоячеистой структуре пенополиуретан может служить одновременно теплогидроизоляцией и защитой металла от коррозии. Пенополиуретан может быть нанесен и на внутреннюю поверхность мембраны. Особенно целесообразно применять пенополиуретан для утепления опорного контура, выполненного в виде трубобетона.

7. ОСОБЕННОСТИ ВОЗВЕДЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ (С ВНЕШНИМ ЛИСТОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ) ВИСЯЧИХ ПОКРЫТИЙ

7.1. Покрытия промышленных зданий из-за сложного очертания и большого количества фонарных надстроек, как правило, не могут быть использованы в качестве основания для монтажа мембраны.

Мембранные конструкции, возводимые над действующими зданиями, монтируют на временных подмостях, опирающихся на существующие конструкции. Подмости должны быть горизонтальными. Их отметка должна соответствовать отметке прикрепления мембраны к контуру.

При назначении отметки контура следует учитывать стрелу прогиба мембраны в центре. Мембрана при опускании подмостей не должна касаться существующих несущих конструкций (фонари и другие возвышающиеся над кровлей элементы должны быть демонтированы перед опусканием мембраны).

7.2. В предварительных расчетах (для выбора отметки контура) стрелу прогиба мембраны в центре после ее полного опускания под расчетной нагрузкой следует принимать равной 1/32 большего размера прямоугольника (при многоугольном очертании — описанного прямоугольника).

7.3. Вертикальные относительные прогибы элементов подмостей не должны превышать 1/200 длины их пролета.

При определении прогибов, помимо собственного веса подмостей и мембраны, следует учитывать и нормативную нагрузку от снега за исключением тех случаев, когда гарантировано окончание монтажа в теплое время года.

7.4. Основные несущие элементы подмостей должны располагаться над колоннами, фермами или балками. Шаг второстепенных (поперечных) балок рекомендуется принимать не более 3 м.

7.5. Нагрузка от подмостей и мембраны всегда меньше снеговой, поэтому подмости, как правило, могут опираться на существующие фермы или балки. Однако монтаж и опускание мембраны рекомендуется производить в теплый период времени, с тем чтобы не перегружать существующие конструкции, а подмости опирать непосредственно на внутренние колонны и вблизи опор ферм или балок. Если несущая способность существующих конструкций мала, они могут быть усилены временными или дополнительными элементами, например, с помощью шпренгеля, вставок и др.

7.6. Опускание подмостей и мембраны следует производить как от периферии к центру, так и наоборот. Предпочтительнее начинать опускание от периферии с тем, чтобы меньше перегружать поддерживающие конструкции.

7.7. Опускание подмостей большепролетного покрытия следует производить за несколько циклов по 400 — 600 мм за каждый цикл. При опускании рекомендуется пользоваться реечным домкратом для снятия нагрузки с опор подмостей (за счет небольшого подъема) и передачи ее на укороченные опоры.

7.8. Стойки подмостей рекомендуется выполнять в виде раздвижных трапецеидальных опор (рис. 38), телескопических или раздвижных стоек, в том числе из дерева (рис. 39). Стойки могут быть выполнены из сплошных деревянных брусьев, которые по мере опускания укорачиваются.

7.9. При опускании подмостей необходимо обеспечить безопасность монтажников и исключить возможность падения временных прогонов. С этой целью допускается временное прикрепление прогонов подмостей к мембране с помощью хомутов.

7.10. Развертывание рулонов мембраны следует производить с земли. Размеры рулонов должны быть приняты согласно п. 1.22 настоящих Рекомендаций. Рулон устанавливают в раму, на которую он должен опираться с помощью оси, закрепленной внутри рулона к временному цилиндрическому каркасу. К концу рулона прикрепляют трос, после чего поднимают конец рулона краном до уровня покрытия и с помощью лебедки (установленной на противоположной стороне здания) натягивают лист на подмости (рис. 40 и 41).

7.11. Рулоны в процессе развертывания следует вытягивать, чтобы свести к минимуму размеры и количество волн. При вытяжке рулонов нельзя передавать на опорный контур горизонтальные усилия, т.к. до прикрепления к нему мембраны гибкий контур не способен воспринимать изгибающие моменты, действующие в плоскости покрытия.

7.12. Омоноличивание сборных элементов опорного контура или заполнение трубобетонного контура бетоном можно производить одновременно с монтажом элементов мембраны, так как в процессе развертывания рулонов и при раскладке их на подмости усилия на опорный контур не передаются. Развертывание рулонов рекомендуется начинать после окончания бетонных работ по замоноличиванию опорного контура.

7.13. По мере развертывания рулонов необходимо осуществлять их приварку к опорному контуру и к ранее уложенным элементам мембраны. При сварке необходимо выбирать режимы, сводящие к минимуму коробление и образование хлопунов.

Примечание. Следует учитывать, что в висячих покрытиях прямоугольного очертания в плане, создаваемых из первоначально плоских мембран, и после провисания неизбежно возникают волны в угловых зонах. Наличие волн в угловых зонах мембраны не отражается на несущей способности покрытия.

7.14. С целью улучшения качества поверхности мембраны рекомендуется перед опусканием мембраны разрезать ее по диагонали на протяжении 1/3 длины диагоналей (рис. 42). При этом в углах необходимо сделать круглый вырез в мембране диаметром не менее 200 мм. После опускания мембраны разрезанные части надо стянуть и сварить между собой. Аналогичным образом можно разрезать и волны (появившиеся после опускания мембраны) вдоль их гребня с последующей стяжкой разрезанных частей и их сваркой между собой.

7.15. Устройство большого центрального выреза в мембране для фонаря рекомендуется осуществлять после опускания мембраны (в ее рабочем положении). До выреза отверстия необходимо по его периметру приварить к мембране обрамляющее кольцо (см. пп. 1.29, 1.30, 6.9 настоящих Рекомендаций).

Расчет висячих покрытий следует производить на основании установленного в НИИЖБ свойства мембранного покрытия (а.с. № 479859 и № 846682), заключающегося в том, что в плоских опорных контурах мембранных покрытий, представляющих собой замкнутые рамы прямоугольных и многоугольных очертаний в плане, возникают только сжимающие напряжения на 80 — 90% их длины и при этом даже гибкие элементы контуров (с отношением наименьшего размера поперечного сечения к длине менее 1/100) не теряют устойчивость в плоскости покрытия. В связи с этим опорные контуры целесообразно выполнять из железобетона, так как при этом достигается существенная экономия металла. Кроме того, железобетонный опорный контур имеет бульшую степень надежности, чем металлический, в связи с бульшей долговечностью материала.

Для пролетной конструкции покрытия рекомендуется применять первоначально плоский стальной лист-мембрану, так как двухосно растянутая тонколистовая мембрана, способная работать только на растяжение (и не воспринимающая ни изгиб, ни сжатие), перераспределяет усилия в висячих мембранных конструкциях прямоугольного и других очертаний в плане, в результате чего в опорных контурах в основном и возникают лишь сжимающие усилия.

Первоначально плоская мембранная конструкция приобретает форму пологой оболочки двоякой кривизны под действием нагрузки. Она является адаптивной системой с изменяющейся формой поверхности, но при этом на всех стадиях работы конструкции и практически при любом ее очертании в плане имеет место, отмеченное выше, распределение усилий (сжатие в опорном контуре и двухосное растяжение в мембране). Безызгибность и устойчивость опорного контура обусловлены тем, что двухосно растянутые мембраны не только нагружают контуры, но в то же время препятствуют их деформациям в горизонтальном направлении, так как в этом направлении они представляют собой жесткие на изгиб пластинки и тем самым устраняют (в своих плоскостях) изгиб контуров.

Увеличивать изгибную жесткость мембран в вертикальном направлении за счет присоединения к ним ребер или ферм не рекомендуется, так как при этом мембрана не сможет легко изменять форму своей поверхности и перераспределять усилия.

Исследования выявили, что усилия в самой мембране и в ее опорном контуре практически не изменяются при устройстве в мембране круглого или многоугольного центрального выреза площадью до 30% общей площади покрытия. При этом вырез должен быть обрамлен кольцом, площадь поперечного сечения которого должна составлять не менее 0,7 вырезанной части мембраны. Исходя из этого и рекомендовано устройство в покрытии фонарей.

Исследования выявили целесообразность усиления углов опорного контура. Поэтому и рекомендовано устройство горизонтальных вутов в углах. Однако в связи с большой жесткостью углов в элементах контура в местах соединения их с вутом могут возникнуть растягивающие усилия во внешних гранях, вызванные изгибающими моментами. Устранить изгибающие моменты в углах можно было бы устройством шарниров. При этом элементы контура были бы сжаты на всей их длине. Однако конструктивно это трудно осуществить, кроме того, в этом случае заметно увеличиваются горизонтальные перемещения контура. В углах опорного контура можно допустить возникновение пластического шарнира, но это связано с раскрытием трещин в железобетонных элементах контура в местах их соединения с вутами. Поэтому и предусматривается дополнительная арматура в угловых зонах внешних сторон железобетонных элементов опорного контура.

Особенность висячих оболочек, созданных с применением мембран, заключается в том, что упругие и реологические деформации контура и мембраны, а также начальные несовершенства тонколистовой мембраны (волнистость поверхности и др.) приводят к увеличению стрелы провеса конструкции, а, следовательно, и ее несущей способности. В связи с этим в мембранах можно допускать и пластические деформации, а не ограничиваться упругой стадией ее работы. Между тем, пологие мембраны, как правило, работают в упругой стадии. Объясняется это следующими обстоятельствами.

В пологих мембранах приращение стрелы провисания \Delta f существенно больше ее удлинения \Delta l . С ростом \Delta f увеличивается и полная стрела провисания покрытия f, следовательно, растет его сопротивляемость дальнейшему деформированию.

Приращение стрелы провисания . Если принять , то \Delta f будет в 6 — 9 раз больше, чем \Delta l (\Delta f = (6...9)\Delta l) .

Длина мембраны после провисания S возрастает, как правило, на величину 0,1 — 0,5% по сравнению с первоначальной.

При f = l/32 S = 1,0025l, т.е. при такой стреле провисания длина мембраны на 0,25% больше первоначальной величины. Если бы контур был абсолютно жестким (не имел деформаций), то мембрана при указанной стреле провисания должна удлиняться на ту же величину — 0,25% первоначальной длины. Эта величина близка деформациям обычных сортов стали при начале текучести, равном 0,2. Опорный контур имеет небольшую жесткость и всегда деформируется. Деформация контура должна быть равной 0,0025: 2 = 0,00125 пролета для того, чтобы нерастяжимая мембрана получила указанную стрелу провисания.

Контур, как правило, деформируется на величину, близкую указанной.

Расчетные сжимающие усилия в опорном контуре, как правило, в десятки раз больше вертикальных усилий, передающихся на колонны. Обусловлено это тем, что стрела провисания первоначально плоского мембранного покрытия, как правило, находится в пределах 1/25 — 1/50 их большого пролета, в связи с этим на опорный контур передается распор, горизонтальные составляющие которого в 6 — 12 раз больше вертикальных. Такое распределение усилий может быть рационально использовано, если прикреплять мембрану ниже центра тяжести элементов опорного контура, с тем чтобы сжимающая сила выгибала их вверх, т.е. в направлении, противоположном изгибу от вертикальных нагрузок.

Расчетный изгибающий момент в вертикальной плоскости опорного контура при этом может быть резко уменьшен. Такой прием целесообразен в случаях опирания элементов контура на колонны, расположенные с шагом более 12 м или только по углам.

Настоящая программа предусматривает статический расчет мембранных оболочек произвольной начальной формы и плана под действием постоянной нагрузки.

Для решения задачи привлечен метод конечных элементов. Рассматриваемая оболочка заменяется совокупностью плоских треугольных элементов, не имеющих изгибной жесткости в направлении, перпендикулярном плоскости треугольника.

Опорный контур или кольцо, обрамляющее отверстие в мембране, аппроксимируется в зависимости от формы поперечного сечения треугольными элементами, как в мембране, либо линейными элементами. В последнем случае матрица жесткости линейного элемента содержит члены, учитывающие сжатие и растяжение, а также изгиб в двух плоскостях и кручение.

Расчет образованной таким образом дискретной системы производится методом последовательных нагружений. Исходной информацией для расчета являются геометрические размеры оболочки, граничные условия, места приложения и величина нагрузок. Координаты узлов элементов задаются в декартовой системе отсчета. Нагрузка только узловая и ориентирована относительно общей системы координат. Исходная информация после ввода выводится на широкополосную печать.

Результаты счета — перемещения, усилия. Для перемещений указывается номер узла и конечные его координаты. Для усилий в треугольных элементах указываются номер треугольного элемента, главные напряжения и интенсивность напряжений. Для элементов контура указываются номера начала и конца стержня, моменты, поперечные силы и усилия.

Точность метода последовательных нагружений при решении нелинейных задач зависит от величины нагрузки на каждом этапе. Величина этапа зависит от начальной стрелы провеса (см. п. 3.3 настоящих Рекомендаций).

Дать конкретные рекомендации по выбору количества степеней приложения нагрузки в общем случае затруднительно. Во время счета необходимо корректировать величину этапа нагружения, постепенно увеличивая ее по мере роста прогиба мембраны.

Для оценки правильности выбора программы нагружения необходимо сделать пересчет задачи с увеличением количества этапов разбиения нагрузки как минимум в 2 раза. Необходимо также отметить, что при составлении расчетной схемы важным вопросом является назначение густоты расчетной сетки. Из вычислительной практики известно, что при сгущении сетки в 2 раза погрешность перемещений уменьшается в 4, а напряжения — в 2 раза [1]. Однако это сказывается на времени счета. Поэтому необходимо находить приемлемое соотношение между скоростью решения и точностью счета.

Программа записана на входном языке транслятора ТА-IМ машины М-222. Она включает 7 процедур, записанных в кодах машины, и 4 блока — процедур на алгоритмическом языке Алгол-60. Перевод процедур в коды системы команд М-20 произведен при помощи транслятора в режиме автономной трансляции.

Программа разработана в лаборатории специальных конструкций НИИЖБ Госстроя СССР.

Для иллюстрации возможностей описанной выше программы приведен расчет мембранного покрытия, которое было построено на территории НИИЖБ в 1973 г. Размер его по осям колонн составлял 12 x 12 м, площадь 144 м2.

Железобетонный опорный контур покрытия выполнен из бетона марки М300, имеющий в направлении действия усилий распора от пролетной конструкции толщину 0,1 м, что составляет 1/120 пролета. Высота контура изменялась от 0,4 м на опоре до 0,5 м в середине пролета. Армирование контура произведено сварными каркасами с продольной арматурой класса А-IV (4\text{Ø}14) .

Пролетная конструкция изготовлена из листовой стали толщиной 0,0018 м. Покрытие рассчитывалось на равномерно распределенную нагрузку интенсивностью 2000 Н/м2.

На рис. 43, 44, 45 показаны вертикальные и горизонтальные перемещения контурного элемента, а также вертикальные перемещения пролетной конструкции, которые получены в результате расчета (сплошная линия) и при натурных измерениях, которые проводились во время испытаний этой конструкции.

Программа предназначена для статических расчетов пространственных систем. По ней могут быть рассчитаны пространственные системы, которые характерны нелинейной зависимостью между величинами внешних воздействий и перемещениями.

Расчетная схема конструкции представляется в виде стержневой модели. Жесткостные характеристики стержней подбираются на основе эквивалентности перемещений стержневой и моделируемой континуальной системы.

Для выполнения расчетов по данной программе расчетная схема системы должна содержать следующие исходные данные:

а) геометрические

начальные координаты узлов стержневой системы;

площади поперечных сечений стержней и моменты инерции;

б) физические

модули упругости материала стержней;

усилия предварительного напряжения;

внешние воздействия в виде узловых сосредоточенных сил, перемещений.

Решение нелинейной задачи осуществляется методом последовательных нагружений с автоматическим выбором величины нагрузки на каждом этапе нагружения.

Программа ориентирована на конструкции с большим количеством элементов с высокой степенью статической неопределимости.

Программа разработана в КиевЗНИИЭП [2].

В разработанной в КИСИ Минвуза УССР системе ПРОЧНОСТЬ для исследования комбинированных систем реализован раздел ПАРУС (Подсистема автоматизированных расчетов уникальных сооружений), базирующийся на методе конечных элементов МКЭ и алгоритмах решения систем уравнений.

Подсистема ПАРУС может быть использована для статического расчета мембранных покрытий с учетом геометрической нелинейности. Она позволяет учесть совместную работу мембраны и податливого опорного контура.

Поверхность мембраны аппроксимируется треугольными конечными элементами КЭ, опорный контур — прямолинейными стержнями и треугольными КЭ. Для стержневых и мембранных конечных элементов используются нелинейные соотношения МКЭ. Процессы нагружения рассматривают как динамические и моделируют путем численного интегрирования уравнений движения по явным и неявным разностным схемам во времени. При этом в данный момент в качестве отсчетного выбирают напряженно-деформированное состояние системы в предыдущий момент. Это позволяет вводить линеаризованные зависимости между приращениями напряжений и деформаций на каждом временном интервале с последующей коррекцией компонент тензора напряжений, физических констант, расчетной схемы, граничных условий и других параметров в соответствии с принятым законом состояния, ограничениями по усилиям, перемещениями и скоростями, программой проведения численного эксперимента. Решение задач статики сводится к отысканию равновесных состояний динамических моделей, устойчивые конфигурации которых достигаются в результате действия реальных диссипативных сил либо применения специальных приемов торможения [3, 4, 5].

В подсистеме ПАРУС автоматизирован процесс задания входных данных для сложных комбинированных систем, управления вычислительными алгоритмами в пакетных и диалоговых режимах обработки информации [6]. Программным путем в процессе нагружения задается изменение нагрузки, условий закрепления и физических констант материала. Подсистема реализована в терминах языка ФОРТРАН на ЭВМ БЭСМ-6.

При выполнении расчетов с помощью подсистемы ПАРУС назначается размер сеточной области и задаются геометрические параметры системы: размер конструкции и площади поперечных сечений стержней. Задаются также физические характеристики: модуль упругости материала мембраны и контурных элементов, внешние воздействия в виде распределенной и сосредоточенной нагрузок и усилий предварительного напряжения.

Результаты расчета записываются на магнитную ленту или магнитный диск, а также выдаются на печать в виде координат точек деформируемой поверхности, напряжений в мембранных конечных элементах и усилий в контурных элементах.

Подсистема ПАРУС в системе математического обеспечения прочностных расчетов конструкций ПРОЧНОСТЬ сдана в республиканский фонд алгоритмов и программ Института кибернетики АН УССР.

В качестве примера, иллюстрирующего возможности программ и достоверности получаемых по ним результатов, приводятся результаты расчета мембранного покрытия над цехом № 2 московского завода, строительство которого осуществлено под руководством НИИЖБ.

Рассчитываемая конструкция покрытия с размерами в плане 66 x 81 м состоит из металлической мембраны толщиной 0,004 м с модулем упругости E_{\text{м}} = 2,1 \cdot 10^{5}\text{МПа} , прикрепленной к трубобетонному опорному контуру, выполненному из трубы диаметром 0,63 м при толщине стенки 0,012 м и заполненному бетоном М300. В контуре по большей стороне предусмотрено дополнительное стержневое армирование, поэтому приведенные модули упругости элементов контура вдоль большей и меньшей сторон будут соответственно E_{\text{пр}_{1}} = 4,56 \cdot 10^{4}\text{МПа} и E_{\text{пр}_{2}} = 4,21 \cdot 10^{4}\text{МПа} .

При равномерно распределенной нагрузке интенсивностью 900 Н/м2 имеются замеры о деформированном состоянии конструкции. Поэтому для этой же нагрузки был произведен расчет мембранного покрытия по программам ГАММА-2 и ПАРУС, по которым соответственно получены следующие результаты: конечная стрела провиса центра мембраны составила 1/39 и 1/40 большей стороны, при натурной стреле 1/32; относительные горизонтальные перемещения центральной точки опорного контура составили для длинной стороны 1/748 (ГАММА) и 1/572 (ПАРУС), в натуре 1/622; для короткой стороны — 1/900, 1/815 и в натуре 1/945. При этом расчетные продольные усилия в контуре, в средней его части, составили для программ ГАММА-2 и ПАРУС соответственно: в короткой стороне 8030 и 7730 кН; в длинной стороне 9000 и 9010 кН.

На рис. 46 показаны горизонтальные перемещения контура в длинной и короткой сторонах, а на рис. 47 - вертикальные перемещения мембраны вдоль осей симметрии, полученные в результате расчета и при натурных измерениях.

1. Руководство по проектированию железобетонных пространственных конструкций покрытий и перекрытий. М., 1979.

2. Программа расчета пространственных геометрически нелинейных систем (ГАММА-2), Киев, 1973.

3. Кислоокий В.Н. Алгоритм численного решения задач статики и динамики нелинейных систем. — Прикладная механика, т. II, вып. 6, Киев, 1966.

4. Кислоокий В.Н. Статика и динамика нелинейных вантово-стержневых систем. — В кн.: Сопротивление материалов и теория сооружений, вып. 9, Киев, 1969.

5. Кислоокий В.Н. Исследование статики и динамики висячих, пневмонапряженных и комбинированных систем методом конечных элементов. — Строительная механика и расчет сооружений, М., 1977, № 4.

6. Кислоокий В.Н., Пасюта А.В., Подгорный И.А., Савчук А.В., Харченко А.И. Автоматизация процессов формообразования оболочек висячих покрытий. — В кн.: Прикладная геометрия и инженерная графика, вып. 32, Киев, 1981.

---