ОПОРНЫЙ УЗЕЛ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ МЕМБРАНЫ
SUPPORT UNIT OF PRE-STRESSED MEMBRANE

Область применения
Изобретение относится к области строительства, в частности к элементам крепежа строительных конструкций. Данное техническое решение может быть использовано при возведении гражданских и промышленных зданий.
Уровень техники
Плоские тонколистовые мембраны применяются в строительных каркасно-мембранных панелях, используемых в качестве ограждающих конструкций зданий и сооружений [1], и состоят из стержневого контура и натянутой тонколистовой обшивки - мембраны. Сложность крепления мембраны к стержневому контуру в том, что каркас изготавливают из прокатных профилей (уголки - ; двутавр - I; швеллер - [), толщина полок у которых составляет от 4 до 8 мм, а мембрана - из тонколистовой стали толщиной 0,4-0,7 мм. Узел соединения таких элементов представляет собой систему электрозаклепок контактной сварки. При этом, такой узел соединения не является равнопрочным.
Предварительное натяжение мембраны возможно различными способами [1, стр. 272]: а) натяжением за счет сжатия продольных балок каркаса панели; б) натяжением мембраны на внешних опорах. В обоих способах узлы закрепления мембраны к каркасу панели расположены на крайних поперечных балках и представляют собой дискретное расположение болтов с прижимной полосой (Фиг. 1).
Известен узел натяжения и закрепления мембраны с применением обжимных планок и стяжных винтов [1, стр. 312] (Фиг. 2).
На Фиг. 2 показано: 7 - продольное ребро мембранно-каркасной стеновой панели; 2 - полоса мембраны; 8 - обжимные планки; 9 - стяжные винты; 10 - поперечное ребро каркаса панели.
Каркас стеновой панели (Фиг. 2) принимается на всю высоту стены, подвешивается на подстропильную конструкцию. Полоса мембраны 2 закрепляется на верхнем поперечном ребре каркаса, раскатывается из рулона до нижнего поперечного ребра каркаса. Далее, закрепляются обжимные планки 8, и натягивается мембрана стяжными винтами 9. Такой узел закрепления предварительно напряженной мембраны позволяет регулировать величину натяжения в процессе эксплуатации конструкции. Например, при повышении температуры наружного воздуха в летнее время стяжные винты 9 смогут восстановить проектную величину натяжения.
Однако и эта конструкция и закрепления мембраны на каркасе панели имеет те же недостатки:
- величина натяжения мембраны ограничивается величиной обжатия планок 8;
- натяжение мембраны вдоль поперечной кромки неравномерно из-за дискретного расположения натяжных узлов, а также из-за изгибной податливости обжимных планок.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение изгибной жесткости опорного закрепления мембраны и улучшение его технологичности, создающее равномерное натяжение мембраны по всей длине кромки.
При этом опорный узел мембраны включает жесткий стержневой каркас, состоящий из продольных и поперечных балок, с тонколистовой мембраной и натяжные стержни.
Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что поперечные кромки мембраны прикреплены к боковым поверхностям натяжных стержней, примыкающим к поперечным балкам каркаса, при этом опорные участки мембраны намотаны в виде витков спирали вокруг боковых поверхностей натяжных стержней, а опоры натяжных стержней закреплены болтами на крайних поперечных балках каркаса.
Раскрытие сущности изобретения
Равномерное натяжение настила по ширине полосы обеспечивает натяжной стержень, имеющий фрикционное соединение с мембраной (Фиг. 3) [2]. Концевые части полосы настила расположены вокруг боковой поверхности стержня по спирали и за счет сил трения создают жесткое соединение стержня с мембраной.
в
s
s
s
Действие натяжных домкратов обозначено векторами Ν. Первый виток спирали, в сечении 1, создает давление N на пластину (стержень) b и соответствующую силу трения. Второй виток спирали, в сечении 2, создает силу трения от меньшего давления. Третий виток, в сечении 3, создает трение от остаточного натяжения полосы после второго витка спирали и дополнительное давление от первого витка. Коэффициент трения для поверхностей обработанных стальными щеткам составляет 0,35 [3, стр. 83, таб. 42]. Достаточно трех спиралей (полтора оборота полосы) для восприятия полного натяжения N. Полученный результат иллюстрируется примером в табличной форме (таблица 1), где N=1. Из таблицы видно, что после третьего витка спирали настила суммарная сила трения превышает внешнее воздействие, равное 1. Такая конструкция обеспечивает равномерное натяжение qH по всей ширине полосы настила. После натяжения мембраны натяжной стержень - пластина закрепляется болтами d (Фиг. 3) на крайних поперечных балках каркаса панели. Далее, натяжные домкраты снимаются, а отверстия в анкерной пластине закрываются болтами. Усилия натяжения этих болтов создают дополнительную силу трения, которая компенсирует ослабление полосы мембраны отверстиями. В результате, данный узел имеет равнопрочное соединение.
Таблица 1
Сечения
Сила трения
Остаточное усилие
1
0,35∗1,00=0,35
1,00-0,35=0,65
2
0,35∗0,65=0,227
0,65-0,227=0,422
3
0,35∗(0,65+1,00)=0,577
0,422-0,577=-0,155
На Фиг. 3 натяжной стержень принят в виде полосы, а натяжение мембраны выполняется винтовыми домкратами линейным перемещением этой полосы относительно каркаса панели. Возможен вариант конструкции узла, когда натяжной стержень имеет трубчатое сечение и не смещается относительно каркаса панели (Фиг. 4). Натяжение мембраны 2 выполняется поворотом трубчатого стержня 11 вокруг своей продольной оси и наматыванием ее вокруг боковой поверхности натяжного стержня. Опорами трубчатого стержня являются проушины ребер 13, закрепленных на элементе поперечной балки 14 каркаса панели. Длина трубчатого стержня соответствует ширине полосы мембраны. По краям стержня делаются трубчатые вставки 12, которые передают опорное натяжение мембраны на поперечные балки каркаса панели. Внутренняя поверхность стенки на концах вставки имеет форму восьмигранника. Это необходимо для установки инструмента, который поворачивает трубчатый стержень с помощью рычага и создает натяжение мембраны. Фиксируют натяжение мембраны болты - шпонки 15, которые закрепляют натяжной стержень со стенками поперечной балки панели.
Для расчета такой конструкции примем известное соотношение [2, стр. 554, формула (22.3)]:
2
где σ - кольцевое напряжение цилиндрической оболочки;
p - нормальное давление внешней нагрузки на цилиндрическую оболочку;
r - радиус цилиндрической оболочки;
t - толщина цилиндрической оболочки.
Для решения поставленной задачи необходимо найти силу трения в любой точке кольцевого периметра натяжного стержня, для этого преобразуем соотношение (1):
f
где N - сила трения, создаваемая на участке длиной Δ, кольцевого периметра натяжного стержня;
Δ - участок периметра поперечного сечения трубчатого натяжного стержня;
µ - коэффициент трения мембраны.
Примем во внимание, что кольцевое усилие в мембране на трубчатом натяжном стержне в каждой последующей точке кольцевого периметра уменьшается на сумму сил трения предыдущего участка. Выражение силы натяжения полосы мембраны в i-й точке кольцевого периметра имеет вид
i
где N - сила трения в i-й точке кольцевого периметра;
i-1
N - сила трения в (i-1) точке кольцевого периметра. Натяжение мембраны уменьшается при наложении на боковую поверхность натяжного стержня, последовательно по участкам Δ, от усилия в мембране N до 0. Рассмотрим изменение натяжения:
- на первом участке
- на втором участке
- ……………………………
- на n-м участке
Условие прочности соединения закрепления полосы мембраны:
где S - минимальное остаточное усилие в мембране, которое может восприниматься болтовым или заклепочным соединением, а также контактной сваркой.
После преобразования соотношение (4) принимает упрощенный вид:
где m - нормативная доля остаточного мембранного усилия.
Величина Δ представляет собой условную величину. Поэтому в расчетах нужно принимать соотношение Δ/γ.
Пример расчета опорного узла мембраны.
Принимаем радиус натяжного стержня r=5 см; µ=0,35; Δ/r=0,1.
Следовательно, в данном примере Δ=0,5 см. При этом кольцевой периметр стержня разбит на n=62 участка. Определим остаточное усилие в мембране после одного оборота вокруг натяжного стержня. Подставим n=62 в формулу (5), значение левой части (5) покажет долю остаточного усилия в мембране
62
(1-0,35·0,1)=0,110>0.
Остаточное усилие в мембране составляет 11,0%. Условие прочности соединения не обеспечено. Остаточное усилие воспринимает второй виток спирали мембраны. Остаточное усилие после второго витка определяется силой трения по двум поверхностям (дополнительное обжатие внутреннего витка спирали внешним) и имеет следующее выражение:
134
62
(1-0,35·0,1)-(1-0,35·0,1)=-0,108.
Таким образом, узел соединения мембраны двумя витками спирали полностью воспринимает внешнее усилие. Сила трения от дополнительного обжатия полностью перекрывает остаточные на 10,8% усилия в мембране. Однако закрепление поперечной кромки полосы мембраны необходимо на период натяжения до наступления плотного касания мембраны с боковой поверхностью натяжного стержня.
Источники информации
1. Мембранные конструкции зданий и сооружений. Справочное пособие. 4.2. Под общей редакцией В.И. Трофимова и П.Г. Еремеева. - М.: Стройиздат, 1990.
2. Кудишин Ю.И. Металлические конструкции, 8-е издание. - М.: «Академия», 2006.
∗
3. СНиП 2-23-81 Стальные конструкции. Актуализированная редакция. - Москва, 2011.