Мембранные натяжные конструкции

Преднатяжение

Преднатяжением называются силы натяжения, прикладываемые к ткани во время возведения конструкции. Параметры преднатяжения определяются на основе компьютерного анализа нагрузок с тем, чтобы обеспечить натяжение всех участков мембраны при любой возможной конфигурации нагрузок. В случае мембранных конструкций сопротивление нагрузкам достигается за счет двойной кривизны поверхностей. Представьте себе плоский отрезок ткани. В этом случае снеговая нагрузка может быть удержана за счет натяжения горизонтальных волокон - как если бы на подвесном мосту использовались горизонтальные несущие тросы и при этом считалось, что конструкция выдержит вес пролета. На рис. 1 представлен классический гиперболический параболоид нагрузка в каждой точке поверхности передается на угловые точки. Две верхних точки получают нагрузки сверху вниз, а две нижних точки - снизу вверх (парусность). Чем меньше перепад высоты между верхними и нижними точками, тем больше результирующая нагрузка в углах.

Другие формы

Надувные (воздухоопорные) конструкция представляют собой синкластические формы (с одинаковой кривизной во всех направлениях. Давление воздуха подпирает ткань также формируя поверхности с кривизной в двух направлениях. У антикластических форм, как, например, у уже упомянутого гиперболического параболоида, нормали к кривым направлены противоположно друг другу. Другая часто встречающая антикластическая форма - конус (рис. 2) и свод (рис. 3). Практически все натяжные конструкции являются вариантами вышеперечисленных форм.

Структура

Структурная ткань с покрытием состоит из стабилизированной тканой основы с двусторонним защитным покрытием. Основная ткань состоит из основы (волокна, идущие вдоль рулона) и утка (волокна, идущие поперек рулона). Сетчатая ткань представляет собой ткань с покрытием, имеющую пространством между пучками нитей. В случае некоторые тканей такого типа, предназначенных для использования внутри здания, нити также имеют покрытие (наносится до ткацкого процесса).

Сопротивляемость нагрузкам

Типичная структурная ткань имеет сопротивление разрыву в 10 тонн по основе и по утку. Для выбора ткани максимальные расчетные нагрузки умножаются на 6, хотя этот коэффициент и может быть уменьшен, если очень хорошо контролируются условия эксплуатации. Например, если предельная сопротивляемость разрыву составляет 10 тонн/пог. м., максимальная разрешенная нагрузка может составлять не более 1.7 тонн/метр, а типичная нагрузка преднатяжения может составлять 150-350 кг/м.

Растяжение

Любые ткани будут растягиваться под нагрузкой, кроме того, характеристики некоторых тканей меняются со временем. Структурная ткань не должна вытягиваться под влиянием нагрузки после полного преднатяжения. Каждый рулон ткани должен испытываться на биаксиальном стенде для измерения растяжения в обоих направлениях с нагрузками, полученными в результате компьютерного моделирования. Полученные параметры будут потом использоваться как компенсационные факторы, учитываемые в программе расчета выкроек. Ткань затем вырезается с уменьшенными размерами, чтобы при монтаже она растягивалась до нужных размеров.

Ткани с покрытием

Для внешнего использования имеется два основных типа тканей - полиэстр с ПВХ (ПолиВинилХлорид) покрытием и стеклоткань с PTFE (фторопласт/тефлон) покрытием. ПВХ покрытие содержит добавки, включающие УФ-стабилизаторы, замедлители распространения огня, красители и фунгициды. Также имеются защитные PVDF (фторополимерные) лаки, облегчающие чистку мембраны. Использование несварного PVDF лака требует очистки от лака участков ткани перед сваркой, но дает срок эксплуатации порядка 15-20 лет, в отличие от сварного PVDF лака. Несмотря на то, что конструктивный срок эксплуатации тканей типа ПВХ/полиэстр превышает 20 лет, приводимый в характеристиках срок основывается на внешнем виде. Пластификаторы, входящие в состав ПВХ покрытия, будут со временем перемещаться к поверхности, затрудняя процедуру очистки поверхности. Французский поставщик ткани Серж Феррари накладывает покрытие на натянутую в обоих направлениях ткань (метод преднапряжения). В результате характеристики по растяжению в обоих направлениях превышают таковые в случае ткани с обычным покрытием.

Компоненты ткани типа фторопласт/стекловолокно инертны, и, таким образом, являются естественным выбором для постоянных конструкций со сроком эксплуатации более 15 лет. Новая ткань такого типа имеет темно-желтый цвет, который полностью высветлится до белого под сильным солнечным цветом за несколько недель. За это же время исчезнут и изменения цвета при сварке. Сетчатые ткани также существуют двух видов (ПВХ/полиэстер и фторопласт/стекловолокно). Такие ткани обычно используются для затенения, но существует 100% водонепроницаемая версия ткани типа фторопласт/стекловолокно с двусторонним прозрачным ламинированием. Другие типы внешних тканей - это: полиэстер с покрытие Tedlar и стеклоткань с силиконовым покрытием; эти ткани не могут сравниться с вышеописанными по надежности. Материалы типа ETFE не являются ткаными материалами с покрытием, и, соответственно, не описаны в настоящем документе.

Ткани без покрытия

Натуральные брезентовые ткани используются там, где важна фактура, но они гораздо менее стабильны чем синтетика и их существенно труднее чистить. Имеется компромиссное решение: брезенты из модифицированного акрила с огнезащитными добавками имеют похожую фактуру и гораздо более стабильны по размером. Ни одну из этих тканей нельзя использовать в случае больших пролетов.

Ветер

Часто встречающийся вопрос "Могут ли натяжные конструкции использоваться в местах с сильным ветром?". Ответ: "Да", при условии правильного инженерного расчета. При компьютерном анализе различных нагрузок обычно оказывается, что нагрузка за счет ветра сравнима со снеговой нагрузкой. Результат умножается на фактор безопасности (от 4 до 6), исходя из чего и выбирается вес ткани. Крепежные элементы и конфигурация конструкций должны учитывать максимальные амплитуды движения мембраны. Элементы на границах мембран должны компенсировать колебания на оконечных участках пролетов. Наш конический тент на о. Маврикий (см. фото на веб-узле) имеет диаметр 32 м.; оно было разработано и подвергалось ветровой нагрузке в 150 миль/ч. В таких экстремальных условиях рекомендуется ежегодное обследование/повторное натяжение. Разработка конструкций для больших снеговых нагрузок требует большей осторожности в силу риска таяния и образования луж. Здесь требуется использовать более крутые уклоны и более короткие пролеты.

Солнце

Ткани ПВХ включают УФ-стабилизаторы, которые защищают окраску и основу ткани, замедляя процесс старения, но, тем не менее, в зонах интенсивного УФ-облучения срок службы будет ограничен. После 20 лет ПВХ потеряет гибкость и станет ломким. В зонах с высокой влажностью регулярная чистка уменьшит риск роста плесени на поверхности тканей, создающей несмываемые пятна. Для получения срока службы дольше 10 лет в зонах с высоким УФ-облучением, загрязнением воздуха или высокой влажность рекомендуется использовать ткани типа фторопласт/стеклоткань.

Огонь

Сопротивление мембран огню зависит от тканой основы и типа сварного шва. Мембраны всех типов потеряют натяжение при высоких температурах. Скорость данного процесса зависит от температуры и от степени преднатяжения мембраны. ПВХ/полиэстр начнет вытягиваться при 70-80 градусах, а швы начнут расслаиваться при 100 градусах. При 250 градусах ПВХ мембрана начнет плавиться в направлении от источника огня, создавая вентиляционные отверстия для охлаждения и дымоудаления. ПВХ обладает огнезадерживающими добавками, в результате чего эта ткань самогасится в отсутствие внешнего источника огня и поэтому не производит горящих капель. Что касается фторопластовых тканей, стекловолокнистая основа выдерживает температуры до 1000 градусов и отверстия возникают только на месте швов, которые расходятся примерно при 270 градусах. Общий эффект в случае пожара может быть весьма позитивным, так как большая часть конструкций формирует резервуар дыма, в результате чего у людей будет достаточно времени для эвакуации, а при подъеме температуры возникнет самовентиляция через разорвавшийся шов. Основные несущие конструкции должны дополнительно поддерживаться, чтобы в случае частичного разрушения крыши не произошел обвал всей конструкции. В конструкции должен учитываться дым, создаваемый мембраной используемого типа. Внутреннее использование фторопластовых тканей может потребовать использования спринклерных систем или принудительного дымоудаления для уменьшения выделения токсичных газов при температурах выше 400 градусов.

Термоизоляция

Одинарный слой ПВХ/полиэстера или фторопласта/стекловолокна с типичной плотностью порядка 1200г/м2 даст значение порядка 4.5 Вт/м2К. Как и в случае стекла, двойной слой с 200м. воздушным промежутком даст значение в 2.6 Вт/м2К. Теплоизоляционный мат, размещенный в воздушном промежутке позволит получить любое значение теплопроводности в соответствии со строительными требованиями, но при этом потеряется прозрачность.

Конденсация

В условиях холода внутри отапливаемого помещения на крыше может скапливаться влага. Учет этого эффекта при расчете уклона крыш и разработке крепежа крышных элементов позволит избавиться от любых проблем. Вентиляция может частично решить проблему, но если нужен полный контроль над конденсатом может потребоваться использование двойного слоя ткани и, возможно, теплоизоляционного мата. Для получения лучшего контроля внутреннего климата рекомендуется предусмотреть управление потоком воздуха через воздушный проем. Зимой этот проем должен закрываться, а летом, открытый проем облегчит охлаждение воздуха. Особая конструкция крыш (в частности, коническая) позволяет использовать эффект пассивной вентиляции, а добавление вентиляторов и заслонок позволит этот эффект усилить.

Акустика

В силу своей невысокой массы одинарная мембрана практически прозрачная для низкочастотного звука. Двойной слой с акустическим матом между слоями позволит получить любые требуемые уровни звукопоглощения. Время реверберации может быть успешно сокращено с применением натяжных поверхностей и размещением позади них акустических матов (с закреплением на стене или подвешиванием на тросах).

Вандализм

В отличие от стекла или других твердых панелей ткань хорошо сопротивляется ударам тупых предметов. С другой стороны, она уязвима с точки зрения воздействия острыми предметами. Короткие разрезы могут быть отремонтированы наклеиваемыми заплатками. Более крупные разрывы могут потребовать более сложного ремонта с использованием портативных сварных машин (на горячем воздухе). Если требуется "невидимый" ремонт, мембрану потребуется снять и заменить или отремонтировать в заводских условиях. Растворители, используемых в красках для граффити, могут разрушить лаки ПВХ. Фторопластовые ткани хорошо сопротивляются воздействию краски, так как она не внедряется в ткань. Решение проблемы заключается в разработке соответствующей конструкции: ткань должна располагаться вне пределов досягаемости, а структура несущих элементов не должна позволять людям на них забираться. На наиболее чувствительных участках можно предусмотреть модульную конструкцию с выдвижными элементами, что позволит минимизировать затраты на замену элементов. Для некоторых конструкций, например автобусных остановок в частопосещаемых местах, мембраны использоваться просто не должны. Преимущество по сравнению со стеклянными укрытиями заключается в том, что объекты в основном отскакивают от ткани и проблема с осколками стекла решается сама собой.

Чистка

Для небольших конструкций она выполняется щетками на длинных шестах и мыльной водой. При необходимости могут использоваться леса или стремянки. В случае больших конструкций требуется привлечение альпинистов, с подвешиванием тросов в наиболее высоких якорных точках или использование крепежных систем типа Latchway. Инструментами являются щетки и рюкзаки, заполненные водой или устройства мойки под давлением. У каждой конструкции должна быть свое сервисное руководство, в котором описываются точки закрепления тросов и процедуры чистки. В идеальном случае укрытия должны чиститься ежегодно, но если чистка затруднена, рекомендуется использовать ткани типа фторопласт/стеклоткань. Поверхность этой ткани сопротивляется загрязнениям и может очищаться естественным образом (за счет дождя). К чистому ПВХ легко приклеивается грязь, поэтому он обрабатывается лаками. Осторожная чистка позволяет продлить жизнь и сохранить хороший внешний вид мембраны.

Гарантии

Производитель ткани может предоставлять гарантию от 5 до 10 лет, распространяющуюся на структурную крепкость и целостность ткани. У субподрядчика могут потребовать сопутствующую гарантию на конструкцию. Architen вводит расширенную гарантию на всю конструкцию вместе с контрактом на чистку и обслуживание. Мы рекомендуем выполнять на некоторых конструкциях ежегодные инспекции для обеспечения целостности всех критических элементов.

Тенты могут быть двух типов: тенты первого типа передают нагрузки по натяжению на вспомогательные или рядом стоящие конструкции; тенты второго типа обеспечивают все нагрузки своей собственной несущей конструкцией. Тенты первого типа могут генерировать большие боковые нагрузки, что может потребовать дополнительного усиления имеющихся конструкций. Скорее всего, типичный "легкий" тент с мачтами и тросовыми креплениями к земле, потребует большого бетонного фундамента или анкерных болтов для сопротивления нагрузкам при натяжении. В рамках предварительной проработки конструкции выполняется анализ нагрузок на основе моделирования форм, в результате которого будут найдены основные направления и значения нагрузок.

Типы границ мембран бывают двух категорий:

• Изогнутый/фестонный край - обычно закрепляется кабелем, пропущенным через карман на краю мембраны. В больших тентах параллельно края пропускаются "паутинные" ремни, которые принимают нагрузку на сдвиг. В случае фторопластовых тентов может использоваться видимый трос, который соединяется с зажимом на краю мембраны посредством стальных цепей.
• Прямой край Край мембраны (т. н. kedar) формируется путем заключения гибкого стержня из ПВХ в небольшой карман. Этот край затем может захватываться зажимной пластиной, закрепленной болтами непосредственно на несущей конструкции, или задвигаемой в алюминиевый профиль luff track. Тенты могут натягиваться путем гидравлического подъема мачты с закреплением основы в песочном балласте; или же мачта может вытягиваться за счет телескопической секции. Углы могут натягиваться с использованием распорных винтов, U - образных болтов или путем сокращения периметра, создаваемого тросовыми крепежами мачт. Отдельные фестоны могут натягиваться за счет укорачивания краевого кабеля там, где обжатые штифты соединяются с пластиной мембраны. Часто панели вытягиваются в параллельные luffttracks и натягиваются путем выемки угловой пластины, которая въезжает в luffttrack.