Вантовые и мембранные конструкции находят широкое применение в российском строительстве при возведении различных объектов — от спортивных сооружений и мостов до промышленных и общественных зданий. Данные технологи характеризуются высокой технологичностью, обеспечивают возможность создания сложных архитектурных форм и отличаются экономической эффективностью. Конструкции состоят из несущих пролётных элементов в виде стальных вант (тросов, канатов, арматурных пучков) и воспринимающих их реакции опорных частей опорного контура).

В некоторых случаях в конструкцию включают элементы, передающие распор (оттяжки, распорки). Отличия вантовых строений от мембранных можно свести к немногим положения, дабы показать различающие признаки. Разделение по взаимному положению вант как: параллельное, радиальное, перекрёстное. Опорный контур может быть жёстким (работает на сжатие, изгиб, кручение) или гибким (с пренебрежимо малой жёсткостью). Нынешние приемы в вантовых мостах используются полимерные оболочки вантовых прядей, которые защищают металл от коррозии и внешних воздействий. [1].

Несущая конструкция вантовых ферм выполнена в целях снижения строительной высоты здания, опоры тросов по наружному периметру смещены относительно друг от друга по вертикали. Суммарный распор тросов, возникающий от предварительного напряжения, собственной массы и внешней эксплуатационной нагрузки, воспринимается единым железобетонным кольцом, расположенным ниже уровня крепления стабилизирующего троса [2]. (рис.1)

Рис. 1. Дворец Спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге

Мембранные конструкции представляют собой эффективный тип тонколистовых покрытий, форма которых в плане меняется от простейших геометрических фигур (квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, овал) до более сложных комбинированных очертаний. Основным фактором, определяющим форму плана, служит функциональное назначение здания, однако такая форма существенно влияет на технико-экономические показатели как самого покрытия, так и сооружения в целом. Наиболее предпочтительными для массового применения признаны мембранные оболочки на круглом и прямоугольном плане, отличающиеся простотой, технологичностью изготовления и монтажа, а также возможностью унификации сборных элементов. Круглое очертание здания в плане обеспечивает опорному контуру состояние, близкое к безмоментному при действиях основных нагрузок, однако для общественных и большинства промышленных сооружений такая форма зачастую неприемлема вследствие технологических требований и необходимости наращивания производственных мощностей.

По способу формообразования различают покрытия с первоначально заданной стрелой провиса и первоначально плоские покрытия. В первом случае отдельные полотнища укладываются на систему монтажных элементов («постель»), геометрия которых определяет начальную форму мембраны. При малой изгибной жесткости элементов их геометрия рассчитывается исходя из монтажных нагрузок; использование же жестких элементов или системы предварительно напряженных ферм позволяет получить начальную форму, не равновесную этим нагрузкам. Первоначально плоские мембранные покрытия собираются на спланированной площадке или подмостях и после подъема или раскружаливания провисают под действием собственного веса; форма образующейся поверхности и стрела провиса зависят от избыточной площади мембраны, обусловленной технологическими несовершенствами, деформациями и податливостью опорного контура.

По форме поверхности оболочки подразделяются на три типа: нулевой гауссовой кривизны (цилиндрические, конические); положительной гауссовой кривизны (сферические, эллиптические параболоиды); отрицательной гауссовой кривизны (шатровые, седловидные, гиперболические параболоиды). Мембранные покрытия могут быть составными, представляя комбинацию оболочек с одинаковой или различной формой поверхности. Форма поверхности и очертание плана должны быть взаимно увязаны. Для зданий с круглым планом наиболее рациональны оболочки вращения — опрокинутый купол или шатер, обеспечивающие минимальное число типоразмеров элементов, малый периметр стен и благоприятные условия работы опорного контура. Круглый план также допускает цилиндрические и седловидные поверхности. Для прямоугольного плана оптимальны цилиндрические оболочки или гиперболические параболоиды, а также возможно применение первоначально плоских мембран или провисающих систем с плоским контуром.

Выбор формы поверхности оболочки определяется рядом факторов: напряженно-деформированным состоянием системы и связанным с ним расходом материалов на пролетную конструкцию и опорный контур; возможностью простого изготовления и монтажа; аэродинамическими характеристиками, влияющими на ветровые нагрузки и необходимость стабилизации, а также на распределение снеговых нагрузок из-за переноса снега; строительной высотой, влияющей на эксплуатационные расходы на отопление, вентиляцию и площадь стенового ограждения; вопросами водоотвода и акустики. Кроме того, форма поверхности покрытия определяет архитектурную выразительность сооружения [3].

Крупным сооружением с мембранным покрытием служит московский стадион «Олимпийский», покрытие которого выполнено в виде овальной оболочки с пролетами 224 м по длинной оси и 183 м по короткой [4]. (рис.2)

Рис. 2. Стадион «Олимпийский» в Москве

Среди отечественных производителей, работающих в области создания сооружений из полимерных материалов, можно выделить компании «ИзапромПлюс» и «Технониколь». Первая специализируется на проектировании и монтаже быстровозводимых тентовых конструкций, в том числе с использованием элементов вантовых систем, тогда как вторая является одним из ведущих предприятий-поставщиков полимерных мембран для кровельной и гидроизоляционной защиты в России [5–6].

В российских нормативных документах регламентируются монтаж и проектирование вантовых и мембранных конструкции. Например:

— СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции»

— СП 494.1325800.2020 «Конструкции покрытий пространственные металлические. Правила проектирования»

— ГОСТ Р 56704–2022 «Мембрана полимерная гидроизоляционная из поливинилхлорида. Технические условия»

— ГОСТ Р 56586–2015 «Геомембраны гидроизоляционные полиэтиленовые рулонные. Технические условия».

Вантовые и мембранные конструкции — несущих элементов преимущественно на растяжение, что позволяет при малой материалоёмкости перекрывать значительные пространства без промежуточных опор. Каждый из этих видов имеет свою классификацию по схеме расположения несущих элементов и жёсткости опорного контура. Строительная практика располагает как техническими решениями для возведения таких систем, так и предприятиями, выпускающими необходимые полимерные материалы и готовые конструкции. Дальнейшее совершенствование технологии связано с повышением долговечности и расширением архитектурных возможностей.

Литература:

1. Агеева, Е. Ю. Конструктивные особенности висячих покрытий в общественных зданиях: учеб. пособие для вузов / Е. Ю. Агеева, В. А. Тишков, А. Е. Филимонова; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т — Н. Новгород: ННГАСУ, 2015. URL: https://bibl.nngasu.ru/electronicresources/uch-metod/building_design/856763.pdf
2. «Юбилейный (спортивный комплекс, Санкт-Петербург)» // РУВИКИ. — URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/Юбилейный_(спортивный_комплекс,_Санкт-Петербург)?ysclid=mnqhedfo5u482667559
3. П. Г. Еремеев. Пространственные тонколистовые металлические конструкции покрытий / П. Г. Еремеев. — Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. С 8–9 — URL: https://avidreaders.ru/read-book/prostranstvennye-tonkolistovye-metallicheskie-konstrukcii-pokrytiy.html
4. «Олимпийский (спортивный комплекс, Москва)»// РУВИКИ. — URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/Олимпийский_(спортивный_комплекс,_Москва)
5. Официальный сайт: Мембранные конструкции и сооружения ИзапромПлюс.. — URL: https://izapromplus.ru/3w
6. Официальный сайт: Руководство по проектированию и устройству кровель из полимерных мембран — URL: https://www.tn.ru/journal/membrannaya-krovlya-vidy-osobennosti-etapy-montazha-krovli-iz-pvkh-membrany/