Принципы конструктивного выполнения и работы под нагрузкой сооружений и конструкций из тканей и пленок.

Пневматические строительные конструкции, называемые иног­да надувными, представляют собой оболочки из воздухонепро­ницаемых тканей или армированных пленок, которые работают в сочетании с воздухом, находящимся внутри под избыточным давлением. Эти конструкции могут в виде однослойных оболочек образовывать покрытия пролетом до 60 м без промежуточных опор. В виде отдельных элементов их применяют в каркасах тканевых покрытий пролетом до 15 м. Пневматические конст­рукции характеризуются предельно малой массой — до 2 кг/м², транспортабельностью, поскольку могут быть сложены в плотные пакеты, и возможностью быстрого возведения, так как для их подъема в проектное положение они должны быть только при­креплены к опорам и наполнены воздухом под избыточным давлением. Пневматические конструкции могут применяться в качестве легких сборно-разборных покрытий временного назначе­ния, например, складов, мастерских, зрелищных и спортивных помещений. Они могут применяться также в качестве отдель­ных небольших стоек, балок и арок.

Основным материалом при изготовлении пневматических кон­струкций являются воздухонепроницаемые ткани из синтетиче­ских текстилей и эластичных покрытий из резин, полихлорви­нила и других смол. Основными соединениями являются шитые нитяные, клеевые, сварные и клеешитые. Пневматические кон­струкции бывают воздухоопорными, пневмовантовыми и пневмо-каркасными.

Воздухоопорные пневмооболочки (рис. 1) отличаются про­стотой и возможностью перекрывать значительные (до 60 м) пролеты. Воздухоопорная конструкция состоит из оболочки, сжа­того воздуха, опорного контура, входного шлюза и воздуходувной установки (рис. 1, а). Оболочка образуется одним слоем ткани и может иметь сферическую форму в виде купола или усе­ченного снизу шара или цилиндрическую форму в виде свода с цилиндрическими или сферическими торцами. Оболочка обра­зуется из полос тканей, выкроенных в соответствии с формой ее поверхности. Края оболочки крепятся к опорному контуру.

	Рис. 1. Воздухоопорные конструкции – пневмооболочки: а-общие виды; б-схема разреза; в-расчетная схема; 1-пневмокупол; 2-пневмосвод со сферическими торцами; 3-пневмосвод; 4-оболочка; 5-шлюз; 6-опорный контур; 7-воздуходувная установка.

 

 

Сжатый воздух, наполняющий оболочку, должен находиться под постоянным избыточным давлением небольшой величины. Интенсивность давления устанавливается из условия того, чтобы она была не ниже массы снега и давления ветра, при котором сохраняется ее положительная кривизна. Практически внутрен­нее давление принимается равным 200...500 Па.

Края оболочки имеют опорный пояс в виде полосы ткани повышенной прочности, в который обычно вшивается еще сталь­ной трос с петлями, которыми оболочка крепится к опорному контуру. Оболочка имеет также монтажные швы, которые облег­чают процесс ее изготовления, транспортирования и монтажа. Эти швы имеют обычно ряды отверстий и соединяются шнуров­кой.

Опорный контур покрытий более длительного назначения вы­полняется в виде ленточного бетонного фундамента, а покрытий краткосрочного использования - в виде анкеров или винтовых свай. В состав опорной конструкции входит пол помещения, испытывающий давление воздуха. Входной шлюз имеет в боль­шинстве случаев тканево-каркасную конструкцию. Воздуходув­ная установка располагается внутри или вне оболочки и состоит из одного или двух вентиляторов низкого давления. При необ­ходимости эксплуатации помещения в холодное время года в состав этой установки включают калорифер. Необходимое внут­реннее давление должно поддерживаться автоматически.

Воздухоопорные оболочки работают как предварительно нап­ряженные мембраны на жестком опорном контуре, поскольку ткани оболочек могут воспринимать только растягивающие силы. Расчет оболочек производится на нагрузки от внутреннего избы­точного давления р и ветрового отсоса w_- . Собственным весом ткани ввиду его относительной малости можно пренебрегать. Снеговую нагрузку s и положительное давление ветра можно не учитывать, поскольку они уменьшают напряжения в оболочке. Ветровой отсос w_- можно при расчете в запас прочности условно считать равномерно распределенным по всей ее поверхности с аэродинамическим коэффициентом с = 1.

Проверка напряжения в сечениях цилиндрической оболочки - пневмосвода радиусом r - может производиться по приближен­ной формуле

Проверка напряжения в сече­ниях сферической оболочки - пневмокупола может производить­ся по приближенной формуле

при этом размерность расчетных сопротивлений ткани принимается в кг/см или кг/м.

Опорный контур и крепление к нему краев оболочек рабо­тают и рассчитываются на растягивающие силы, действующие в оболочке. При расчете шитых соединений учитывается, что они на 15% ослабляют сечение ткани.

Пневмовантовые оболочки в большинстве случаев имеют та­кие же цилиндрические или сферические формы, как и воздухо-опорные пневмооболочки, и состоят из таких же основных частей. Особенностью пневмовантовых оболочек является наличие в их составе вант, закрепленных на опорном контуре. Ванты — это, как правило, стальные тросы, оцинкованные для защиты от кор­розии, но в качестве вант могут служить и канаты из полимерных волокон.

 

В пневмовантовом своде ванты располагаются в вертикаль­ных плоскостях параллельно на равных расстояниях друг от друга. В пневмовантовом куполе они располагаются концентри­чески тоже на равных расстояниях в вертикальных плоскостях и сходятся в центре купола. В пневмовантовом куполе могут быть также промежуточные горизонтальные ванты, не имеющие контактов с опорным контуром, а закрепленные на осиновых вантах. В плоских горизонтальных пневмовантовых оболочках на прямоугольном контуре ванты образуют сетку из двух рядов параллельных вант, пересекающихся под прямыми или острыми уг­лами. Под давлением тканевой оболочки ванты растягиваются и между закреплениями принимают форму части дуги окруж­ности.

Оболочка из воздухонепроницаемой ткани в этих конструк­циях крепится не только к опорному контуру, как в воздухо-опорных оболочках, но также и к вантам на всей их длине. При этом от действия внутреннего избыточного давления воздуха она растягивается и несколько выпучивается на площадях между вантами и приобретает многократно выпуклую, как будто «про­стеганную» вантами форму.

Следовательно, высокопрочные ванты работают на растяже­ние при наибольших пролетах, равных расстояниям между их опорными закреплениями, и являются основными несущими эле­ментами, в которых концентрируются максимальные растягиваю­щие усилия пневмовантовых конструкций. А тканевая оболочка является в большей степени ограждающей конструкцией. Она работает на растяжение на небольших пролетах, равных расстоя­ниям между вантами, передает на них местные части нагрузок и может изготовляться из тканей невысокой прочности и стои­мости.

Пневмовантовые оболочки могут иметь пролеты, значительно превышающие пролеты пневматических оболочек и превосходя­щие 100 м. В США, например, возведена пневмовантовая обо­лочка малой кривизны на прямоугольном опорном контуре с перекрестной системой вант размером 160 X 220 м в плане. В отечественном строительстве начинают применяться эти прог­рессивные конструкции в первую очередь в складских зданиях.

Пневмовантовый свод (рис. 2) является наиболее простой конструкцией этого класса. Воздухонепроницаемая ткань между соседними вантами под действием избыточного внутреннего дав­ления и ветрового отсоса выпучивается наружу и приобретает форму изогнутого волнистого гофра. Этот гофр имеет два поло­жительных радиуса кривизны - большой и малый. Большой ра­диус гофра имеет ту же величину, что и радиус кривизны вант и всей оболочки в целом, меньший радиус гофра зависит от величины выпучивания ткани между вантами и, кроме того, от следующих факторов. При изготовлении оболочки длина ткани между соседними вантами (шаг вант) может быть принята нес­колько большей, чем расстояние между ними. Это обеспечит возникновение начальной выпуклости ткани между ними. В про­цессе эксплуатации от действия растягивающих напряжений в ткани возникают деформации растяжения, ткань удлиняется и тоже выпучивается наружу. Величина этого вторичного выпучи­вания может меняться в зависимости от изменения действующих нагрузок. Во многих случаях для упрощения изготовления оболочки предусматривается ее выпучивание только за счет растя­жения ткани. Величина радиуса такого выпучивания определя­ется в зависимости от шага вант и модуля упругости ткани.

Расчет пневмовантового свода производится на те же нагруз­ки от избыточного внутреннего давления воздуха р и ветрового отсоса w_- , что и пневмосвода аналогичных размеров. Растяги­вающие силы в вантах определяются с учетом радиуса их кри­визны и шага.

Сечения вант подбирают и проверяют при действии растяги­вающих сил и в соответствии с расчетной несущей способностью стального троса данного диаметра.

Напряжение в ткани при растяжении проверяется только в направлении ее меньшего пролета при радиусе ее выгиба r, зна­чительно меньшем, чем радиус выгиба вант, на действие внут­реннего избыточного давления р и ветрового отсоса w_- по фор­муле расчета пневмосвода.

Проверка напряжения в ткани в направлении большего ра­диуса оболочки не требуется, поскольку напряжения в этом направлении незначительны и не зависят от этого радиуса. Опор­ные крепления вант к фундаментам и сами фундаменты рассчи­тывают на действие растягивающих усилий.

	Рис. 2. Пневмовантовый свод (а) и схема работы оболочки (б): 1-оболочка; 2-стальные винты; 3-фундаменты.

 

 

Пневмокаркасные конструкции (рис. 3) состоят из отдель­ных пневмоэлементов, представляющих собой герметически замк­нутые баллоны круглого сечения диаметром 0,2...0,5 м прямо­линейной или изогнутой формы. Оболочку баллона изготовляют из двух- или трехслойной высокопрочной воздухонепроницаемой ткани с дополнительной, как правило, резиновой камерой, обес­печивающей оболочке повышенную воздухонепроницаемость. Торцы баллона в большинстве случаев имеют плоскодонные за­глушки с ниппелями. Сжатый воздух внутри баллона находится под значительным давлением, достигающим 0,5 МПа. Такое дав­ление создается компрессором или автомобильным насосом.

Пневмоэлементы применяют в виде отдельных пневмостоек или пневмоарок в составе каркаса в сочетании с покрытием из воздухонепроницаемой ткани или в виде сплошного ряда соеди­ненных арок. Эти конструкции имеют малую несущую способ­ность и применяются при небольших пролетах - 6м для балок и до 15 м для арок.

Расчет пневмоэлементов производят на действие усилий от расчетных нагрузок, которые могут быть определены общими методами строительной механики и внутреннего избыточного дав­ления. Расчет производят по прочности ткани оболочек, общей и местной устойчивости. Основными размерами элементов явля­ются радиус сечения r и длина или пролет l.

Пневмостойку рассчитывают по прочности прямолинейных и кольцевых сечений на растяжение от внутреннего давления

 

 

	Рис. 3. Пневмокаркасные конструкции: а-пневмоэлементы; б-расчетные схемы; 1-пневмобалка; 2-пневмостойка; 3-пневмоарка.

 

 

Пневмобалку рассчитывают по прочности прямолинейных се­чений на растяжение от внутреннего давления как пневмостойку. По прочности кольцевых сечений пневмобалку рассчитывают в ее предельном состоянии. При этом в верхней половине сечения оболочки растяжение исчезает и образуются складки, в нижней половине растягивающие напряжения линейно вдоль вертикали возрастают от оси до максимума на нижней точке и балка теряет несущую способность. Напряжения при этом проверяют по фор­муле

В предельнм состоянии пневмобалка может потерять несу­щую способность без разрыва оболочки в результате потери местной устойчивости, когда ее ось получает перелом в расчет­ном сечении. Балка при этом не разрушается и восстанавливает начальную форму при разгружении. Местная устойчивость обес­печена, если изгибающий момент от нагрузок М не превышает предельного внутреннего момента, образуемого равнодействую­щими давления воздуха и напряжений растяжения оболочки, что проверяется по формуле

Если складки в оболочке не допускаются, предельный внутренний момент определяется из условия, что растягивающие напряжения отсутствуют только в верхней точке сечения, и расчет произво­дится по формуле

Пневмоарку рассчитывают по прочности линейных сечений по формуле для стойки. По прочности кольцевых сечений и по местной устойчивости пневмоарку можно рассчитывать в запас прочности по тем же формулам, что и пневмобалку, без учета продольных сил N, которые уменьшают растягивающие напряже­ния в оболочке и увеличивают предельные внутренние моменты.

Тентовые конструкции состоят из оболочки - тента и карка­са. Оболочки могут изготовляться из конструкционной водо- и воздухонепроницаемой ткани или из армированной пленки ана­логичных тканям, применяемым в пневматических конструкциях, а также из тканей без покрытий. Каркасы могут состоять из деревянных или стальных элементов и тросов. Простейшими про­тотипами этих конструкций являются шатры и палатки, извест­ные уже в глубокой древности.

По типу каркасов тентовые конструкции бывают с жестким каркасом и с вантово-стоечным или тросостоечным каркасом.

Тентовые конструкции характеризуются легкостью, простотой изготовления и сборки и являются рациональными в виде вре­менных сборно-разборных зданий небольших пролетов. Срок их эксплуатации обычно не превышает 5 лет, поскольку ограничи­вается сроком годности тканевой оболочки. Их преимуществом перед пневматическими воздухоопорными конструкциями являет­ся то, что давление воздуха в них не отличается от внешнего, они не требуют воздуходувных установок и шлюзов.

Тентовые конструкции с жестким каркасом имеют легкий деревянный каркас, например в виде ряда арок - клеедеревян-ных или из легких металлических гнутых профилей. Эти конст­рукции воспринимают основные нагрузки. Тканевая оболочка в них выполняет ограждающие функции и служит для передачи внешних нагрузок на основной каркас. Ткань поддерживается в натянутом состоянии механическим способом, например путем подвески к ее краям небольших грузов, и прогибается только под действием внешних нагрузок.

Тентовые конструкции с вантово-стоечным или тросостоечным каркасом (рис. 4) имеют внешние деревянные или стальные стойки, поддерживающие стальные тросы, которые крепятся к анкерным опорам. К этим тросам в нескольких точках крепится тканевая оболочка. Она служит не только ограждающей, но и основной несущей предварительно напряженной оболочкой, кото­рой необходимую форму придают искусственно создаваемые рас­тягивающие усилия тросов. Наиболее устойчивой формой такой оболочки является седловидная поверхность отрицательной гаус­совой кривизны.

Расчет оболочек тентовых конструкций производится по без-моментной теории гибких оболочек на действие снеговых и ветро­вых нагрузок и на предварительное напряжение. Прочность их проверяется при работе только на растяжение. Жесткие эле­менты каркасов рассчитывают как обычные деревянные и сталь­ные конструкции. Ванты или стальные канаты проверяют по прочности при растяжении.

Рис.4. Тентовое вантово-стоечное покрытие: 1-оболочка; 2-ванты; 3-стойки; 4-фундамент; 5-анкер.

 

59. Пневматические конструкции воздухоопорного типа. Основ­ные элементы. Материал, заводские и монтажные соединения элемен­тов оболочки. Крепление оболочки воздулоопорной конструкции к ос­нованию и типы анкерных устройств.

Пневматические строительные конструкции покрытий по характеру работы очень близки к пространственным висячим и тентовым мембранам. Оболочки этих конст­рукций, изготовленные из тканых материалов, способны стабилизировать свою форму только при наличии предварительного напряжения.

Среди преимуществ пневматических конструкций сле­дует отметить малый собственный вес, высокую мобиль­ность, быстроту и простоту возведения, возможность пе­рекрытия больших пролетов, высокую степень заводской готовности и др.

Пневматические строительные конструкции в зависи­мости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздухоопорные (рис. IX.47).

Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении незначительной разницей давления в разделяемых обо­лочкой пространствах. Это конструкции, которые опираются на воздух. Для противодействия внешним нагруз­кам давление воздуха под оболочкойпо сравнению с ат­мосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Покрытия этого типа отлича­ются простотой конструкции, безопасностью и надеж­ностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты. Около 50—70 % возве­денных в настоящее время воздухоопорных покрытий ис­пользуются как складские помещения; 20—40% — как покрытия для спортивных сооружений. Часть конструкций используют как выставочные павильоны, покрытия строительно-монтажных площадок, различного рода ук­рытия.

Наибольшее распространение получили оболочки в форме цилиндрических сводов и сферических куполов. Поскольку оболочка «лежит» на воздушной подушке, пролеты воздухоопорных конструкций теоретически не имеют ограничений. Практически пролет оболочек без усиления канатами или тросовыми сетками достигает 50—70 м. Пролеты оболочек, усиленные тросами, дости­гают 168 м, что не является предельным.

В нашей стране приняты следующие размеры возду-хоопорных оболочек: сферические купола диаметром 12, 24, 36, 42, 60 м; цилиндрические оболочки пролетом 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60 м; длина цилиндрических оболо­чек в зависимости от пролета изменяется от 24 до 90 м, высота от 6 до 20 м.

Основными частями воздухоопорной пневматической конструкции являются собственно оболочка, шлюз, кон­турные элементы с анкерными устройствами, воздуходув­ные и отопительные установки. Основу несущей конст­рукции шлюза обычно составляет жесткий каркас из металла, дерева, пластмассы, по которому закрепляют гер­метизирующую оболочку покрытия. Размеры шлюза за­висят от назначения сооружения и колеблются от 1х2х2 м для запасных входов до размеров, обеспечиваю­щих шлюзование реактивных самолетов.

Очень ответственной частью оболочки является ан­керное устройство. Из большого числа вариантов анкер­ных устройств заслуживает внимания конструкция креп­ления оболочки к фундаменту или к отдельным сваям с помощью двух труб — верхней и нижней. Нижнюю трубу крепят к фундаменту, а верхнюю — к полотнищу оболоч­ки. Затем трубы соединяются скобами. Эффективно ан­керное крепление оболочки с применением каната (рис. IX.50, а). В сельском строительстве получили распрост­ранение схемы креплений с применением вантовых ан­керов, земляных анкеров, рукавов, заполненных водой (рис. IX.50,6).

Наибольшее распространение для пневматических конструкций получили тканевые материалы, обрезиненные или покрытые полимерами. Реже применяют высо­копрочные синтетические пленки одинарные или двойные с внутренним армирующим слоем из синтетических волокон.

Тканевые материалы изготовляют из естественных, искусственных или синтетических волокон. К естествен­ным относятся: лен, хлопок, пенька; к искусственным — вискоза, стекловолокно. Основными характеристиками тканей являются прочность на разрыв, прочность на раздирание (сопротивление ткани распространению локальных повреждений), относительное удлинение.

Для обеспечения воздухо- и водонепроницаемости тканевую силовую основу поквывают с одной или двух сторон синтетическими каучуками или пластмассами.

Основными полимерными покрытиями являются хлорсульфированный полиэтилен (ХСПЭ), пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ). Последний светопроницаем, окрашивается в любой цвет, морозостоек до —30...—40 °С.

Основные требования, предъявляемые к материалу оболочек, без которых невозможны пневматические кон­струкции, являются прочность и воздухонепроницае­мость. К этим двум требованиям добавляют еще долго­вечность, светопроницаемость, эластичность и легкость, стойкость против химической и биологической агрессии, действия низких и высоких температур, технологичность изготовления и возведения конструкции.

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: