Пневматические конструкции. Схема конструкций , применение, особенности расчета

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. В отличие от тентовых мем­бран, где предварительное напряжение создается меха­ническим путем, пневматические конструкции реализуют предварительное напряжение вследствие разности давле­ния (избыточного или вакуума) в подоболочечном и ок­ружающем конструкцию пространстве.

Возникнув в конце сороковых годов нашего столетия благодаря успехам химии полимеров, пневматические конструкции сразу вступили в полосу своего бурного раз­вития, подготовленную высоким уровнем техники и тех­нической культуры производства.

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.

Рис. 1Х.47. Пневматические строительные конструкции а — воздуяонесомые (лневмокаркасные); б — воздухоопорные; в — воздухе опорные, усиленные канатами или сетками

Пневматические строительные конструкции в зависи­мости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздухоопорные (рис. IX.47). Пневмокаркасные кон­струкции — это надувные стержни или панелн, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воз­духа в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом эко­номической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Эти недостатки сдерживают их применение и серийный выпуск конструкций до сих пор в мире не налажен.

Основным достоинствам пневмокаркасных конструк­ций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования.

В некоторых сооружении сочетаются конструкции двух типов — пнев­мокаркасные и воздухоопорные.

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 оболочкой по сравнению с ат­мосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Такое незначительное избыточное давление не осложняет требованнй к герметичности и к самочувствию находящихся под оболочкой людей.

Воздухоопорные сооружения получили в строительстве большое распространение. Покрытия этого типа отлича­ются простотой конструкции, безопасностью и надеж­ностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты. Около 50—70 °/о 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.

В нашей стране приняты следующие размеры воздухоопорных 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.

Любая классификация таких конструкций условна. Поэтому двухслойные покрытия, называемые пневмолинзами (на круглом, овальном или многоугольном плане) и пневмоподушками (на прямоугольном плане), занима­ют промежуточное положение между первой и второй группами. По принципу статической работы их следует относить к воздухоопорным конструкциям, хотя по от­сутствию избыточного давления в эксплуатируемом про­странстве они близки к воздухонесомым.

Другие виды конструкций, такие, как пневмооболочка на жестком каркасе или пневмооболочка, поддержи­ваемая вантами и т. п., принципиально по характеру ра­боты не отличаются от рассмотренных и благодаря до­полнительным устройствам являются модификацией внутри группы.

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 1Х2Х Х2 м для запасных входов до размеров, обеспечиваю­щих шлюзование реактивных самолетов.

Очень ответстаенной 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).

Первоначальная стоимость пневматических сооруже­иий ниже стоимости сооружения из традиционных мате­риалов, однако эксплуатационные расходы на содержа­ние пневматических конструкций выше. Поэтому, оцени­вая экономическую эффективность пневматических конструкций, необходимо принимать во внимание, что со временем наступает момент, когда суммарные расходы на приобретение и эксплуатацию пневматических конст­рукций будут превышать таковые для конструкций из других материалов.

 

 

Принципы расчета пневматических конструкций

Проектирование строительных пневматических, кон­струкций включает решение следующих задач: 1) на­хождение оптимальной формы оболочки; 2) установле­ние характера и величины силового воздействия; 3) вы­яснение физико-механических свойств материалов обо­лочек и обоснование расчетных сопротивлений; 4) выяв­ление перемещений оболочки под действием нагрузок; 5) определение напряженно-деформированного состоя­ния оболочки.

Основными нагрузками на пневматическую конструк­цию является избыточное давление, ветровые и снеговые воздействия. Влияние собственного веса оболочки, ввиду его малости по сравнению с другими нагрузками, обычно не учитывают. Однако в некоторых случаях при небольшом давлении под оболочечным пространством собственный вес может значительно влиять иа очертание контура оболочки. Так, при отношении избыточного дав­ления Р к собственному весу оболочки g, равному P/g=4...5, форма поперечного сечения оболочки отлича­ется от круговой заметно, а при P/g = 2...3— значитель­но. Распределение избыточного внутреннего давления на оболочку показано иа рис. IX.51, а.

Для расчета пневматической конструкции на ветро­вое воздействие необходимо выявить картину обтекания оболочки потоком воздуха, выраженную в эпюре рас­пределения ветрового давления по ее поверхности.

Распределение ветрового давления на оболочку ме­няется не только с изменением геометрии, но и скорости воздушного потока. Ветровое давление, и в частности от­сос, из-за исключительной легкости покрытия является силовым воздействием на него. Поэтому для наиболее ответственных сооружений приходится в каждом отдель­ном случае прибегать к аэродинамическому моделиро­ванию. В результате таких испытаний были установле­ны для некоторых оболочек критические соотношения ψ значений скоростного напора воздушного потока g и из­быточного давления Р, при котором на поверхности воз-духоопорной оболочки появляются «ветровые ложки» и она входит в неблагоприятный режим колебаний («баф-тинг») ψ = P/g- Для оболочек в форме три четверти сферы ψ <=1,1; для полусферы ψ <=0,8; для полуцилинд­ра со сферическими торцами ψ <=0,7. Вариант ветровой нагрузки на пневматическое сооружение показан на рис. IX.51.6.

Снеговая нагрузка вследствие подвижности и коле­бания поверхности оболочки не достигает интенсивно­сти, характерной для жестких покрытий. На этом осно­вании принято считать расчетную интенсивность снего­вой нагрузки, равную суточному максимуму выпадения снега в данном районе.

 

 

Рис. IX.51. Расчет пневматических конструкций

а—распределение внутреннего давления; б—распределение ветрового даале* ния; в — распределение снеговой нагрузки; г — усилия в пневматической оболочке

 

Согласно методике расчета по предельным состояниям, расчетное сопротивление материала оболочки раз­рыву определяют произведением нормативного сопротив­ления R^Н на коэффициенты однородности R_одн и коэф­фициенты условия работы конструкций К_усл- За норма­тивное сопротивление R^Н принимают среднюю кратко­временную прочность образцов материала покрытия по результатам статистической обработки заводских или ла­бораторных испытаний.

Коэффициент однородности находят по формуле К_одн= (1—3)v, где v — коэффициент вариации Сопротивление ткани разрыву зависит от времени действия усилия и учитывается коэффициентом длитель­ной прочности Кдл.

Таким образом, расчетное сопротивление ткани без учета старения материала в условиях эксплуатации оп­ределяют по формуле

Степень старения свойств материала оболочки можно учесть коэффициентом старения

где N — порядковый номер года эксплуатации оболочки; Г — гаран­тируемый заводом-изготовителем материала срок службы в годах.

Прочность швов соединения полотнищ по отношению к прочности основного материала в разных странах при­нимают от 70 до 100 %.

Последние две задачи расчета пневматических кон­струкций особенно тесно взаимосвязаны и их целесооб­разно рассматривать совместно.

Пневматические оболочки являются кинематически подвижными и геометрически изменяемыми системами. Перемещение оболочки может быть следствием двух причин: 1) упругого или пластического удлинения мате­риала (деформации) и 2) изменения геометрии оболоч­ки при приложении нагрузок — кинематического переме­щения, которое в значительной степени обусловливает интенсивность и характер ветровой и снеговой нагрузок.

Изменение геометрии оболочки под действием нагру­зок (переход в новое равновесное состояние) соизмеримо с размерами самой оболочки, требует учета геомет­рической нелинейности, что существенно усложняет за­дачу расчета.

Для вычисления перемещений оболочки в последнее время успешно применяют метод конечного элемента (МКЭ). После приложения к оболочке нагрузок вся си­стема конечных элементов, соответствующая исходной (раскройной) форме оболочки, для достижения нового равновесного состояния совершает необходимые пере­мещения, определяемые последовательными приближе­ниями с помощью ЭВМ.

Для нахождения максимальных значений растягива­ющих усилий в воздухоопорных оболочках при действии невыгодиейшей комбинации расчетных нагрузок для ря­довых оболочек сферической или цилиндрической фор­мы небольших пролетов (до 50 м) можно использовать простые формулы:

T_м = 0,5PR + βqR; T_K=aPR + βqR,

где Т_ш, Т_к — меридиональные и кольцевые усилия (рис. IX.51, г); Р — избыточное давление воздуха под оболочкой; q — скоростной напор ветра; а, В — коэффициенты, значения которых установлены методами элементарно или какой-либо другой уточненной теории.

По усилиям на контуре оболочки, найденным по ана­логичным формулам, рассчитывают анкерные устройст­ва оболочек, которые должны проектироваться с особой тщательностью, так как при неудачных решениях их

стоимость может быть выше стоимости самой оболочки. Коэффициент запаса для расчета прочности и устойчи­вости анкерных устройств опорного контура в разных странах колеблется в пределах 1,2—3 в зависимости от площади перекрываемого помещения.

Хотя расчет оболочки позволяет определить наиболь­шие усилия и этим обозначить места наиболее вероят­ных разрушений оболочки, тем не менее изучение причин аварий воздухоопорных сооружений показывает, что фор­мой их разрушения является не разрыв, а раздирание, т.е. по причинам, не учитываемым расчетом, но требу­ющим детального изучения напряжений, приводящих к раздиранию. Положение выравнивается пока благодаря введению высоких коэффициентов запаса от 2,5 до 5.