Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017


22.06.2017





Яндекс.Метрика
         » » Расчетные нагрузки

Расчетные нагрузки

25.06.2015

Избыточное давление воздуха, создающее предварительное натяжение оболочки, является наиболее характерной, постоянной, а иногда и единственной нагрузкой для воздухоопорных зданий.
Мы живем на дне воздушного океана, глубина которого не может быть измерена, как глубина моря. В отлично от несжимаемой воды воздух сжат действием собственной массы, достигая плотности γ=1,293 кг/м3 (на уровне моря при температуре 0°C, на географической широте 45°). Нормальным атмосферным давлением считается; 760 мм ртутного столба, или 10 333 мм водяного. Это составляет 10 333 кгс/м2, или 101,325 кПа=0,1 МПа.
Для расчета воздухоопорных оболочек, объем которых нельзя считать замкнутым, допустимо предположение о постоянстве избыточного давления. Независимо от деформаций оболочки под действием нагрузок уровень избыточного давления ограничивается регулируемым напором вентиляторов. При сравнительно медленном нарастании нагрузок такая предпосылка вполне приемлема. При быстро растущих нагрузках, например порывах ветра, правильнее рассматривать оболочку как замкнутый объем, так как воздух при быстро меняющемся объеме сооружения не успевает полностью выйти: стравливающие и обратные клапаны мгновенно не срабатывают. Таким образом, предположения о постоянстве давления воздуха или количества его под оболочкой могут быть использованы в зависимости от характера решаемой задачи.
Динамическое давление потока воздуха, Н/м2, как одно из слагаемых уравнения Бернулли, называемое «скоростным напором», — q - v2/1,547.
Собственная масса оболочки. Материалы оболочек имеют очень малую массу, обычно не более 1—2 кг/м2. Она уравновешивается избыточным давлением воздуха 10—20 Па. Поэтому, за исключением особых случаев, специальный расчет оболочки на действие собственной массы не производится.
Расчетные нагрузки

Нагрузка от атмосферных осадков. Снеговые нагрузки, нормируемые СНиП II-6-74, установлены на основании многолетних наблюдений за накоплением снега на поверхности жестких сооружений. Для цилиндрических сводов и сферических куполов расчетная снеговая нагрузка принимается равномерно распределенной по всей площади проекции этих покрытий на горизонтальную плоскость (рис. 4.16,а). Для оболочек полуциркульного профиля, она в зависимости от снегового района страны колеблется от 0,28 до 1,40 кН/м2. Установлено, что снеговая нагрузка на поверхности воздухоопорных оболочек значительно меньше, чем на конструкциях аналогичных форм из жестких материалов, что объясняется подвижностью и колебаниями оболочки в результате действия ветра и изменений давления воздуха, а также глянцевистостью поверхности, с которой снег легко соскальзывает (рис. 4.17). В связи с этим не происходит длительного многосуточного накопления снега. На этом основании авторами книги было предложено считать расчетную интенсивность снеговой нагрузки равной суточному максимуму выпадания снега в данном районе (по статистическим данным за последние 10 лет). Применительно к районированию по СНиП II-6-74, можно для выпуклых оболочек, когда исключена возможность образования снежных мешков, предложить следующие размеры снеговой нагрузки (табл. 4.6).
Расчетные нагрузки
Расчетные нагрузки
Расчетные нагрузки

В зарубежных нормах есть указания, что снеговая нагрузка может не учитываться, если помещение отапливается и температура под оболочкой достигает 15° (ГДР) и 12° (Япония) или если обеспечена уборка снега любым надежным способом. Противоположная по направлению действия давлению воздуха снеговая нагрузка вызывает, как правило, снижение растягивающих усилий в оболочках. Исключение составляют кольцевые усилия в подъемистых куполах, которые, начиная с некоторой широтной отметки, растут (см. табл. 4.3). Однако в местах возможного накопления снега могут создаваться опасные сосредоточения усилий, способные разорвать оболочку. Этими местами прежде всего являются зоны сопряжения оболочек с разнородными поверхностями, особенно с жесткими пристройками или горизонтальной крышей (рис. 4.17, в).
Гололедные образования на поверхности оболочек обычно не накапливаются в такой мере, чтобы их вводить в расчет как нагрузку. Причиной тому является некоторая подвижность оболочек и растяжимость их материала, способствующие разрушению и осыпанию ледяной пленки. Опыт эксплуатации не дал примеров аварийных ситуаций, вызванных гололедом.
Дожди типа тропических ливней должны учитываться как вертикальные или косые нагрузки в зависимости от интенсивности ливня, аналогично скоростному напору ветра. Распределение дождевой нагрузки на поверхности оболочки должно следовать закону р (φ) = pcosφ,
где φ — угол между направлением дождевых струй и нормалью к оболочке.
Ветровая нагрузка для воздухоопорных оболочек считается основной. Накопившийся к настоящему времени немалый опыт эксплуатации свидетельствует, что она является едва ли не единственной причиной их разрушения.
Особенность взаимодействия пневматической оболочки с воздушным потоком заключается в том, что ее форма, в отличие от формы жестких оболочек, не остается безучастной к ветровому давлению.
Оболочки податливы и под действием ветра заметно деформируются, подвержены ряду явлений аэродинамического характера, которые усугубляются при неблагоприятных соотношениях между давлением воздуха под оболочкой и скоростным напором ветра. Наибольшей опасности оболочка подвергается при существенно меньшем избыточном давлении р, чем скоростной напор ветра q. Практикой установлено, что при p<q возможно образование местных вмятин — «ложек» (рис. 4.18,а), пробегающих по поверхности оболочки, и заметное ее покачивание. В процессе наполнения оболочки воздухом ее форма сильно меняется, она «полощется» и хлопает (рис. 4.18,6). Это очень опасное состояние, чреватое разрывом полотниц или выдергиванием анкеров.
Расчетные нагрузки
Расчетные нагрузки

Импульсивный характер ветровых нагрузок вводит оболочку в определенный режим колебаний. До настоящего времени неизвестны сколько-нибудь результативные попытки динамического расчета пневматических оболочек на пульсирующие ветровые нагрузки. Сейчас пользуются их статическим эквивалентом в виде эпюры распределения ветрового давления по поверхности оболочки. В связи с этим возникает практический вопрос о возможности использования в качестве этого эквивалента результатов многочисленных аэродинамических продувок жестких моделей. Сопоставление их с данными по мягким моделям показало, что при сравнительно высоком избыточном давлении воздуха под оболочкой (p=q) этими данными с некоторой погрешностью (не в запас прочности) руководствоваться можно. Однако давление воздуха под воздухоопорными оболочками, как правило, меньше скоростного напора. Поэтому влияние отношения p/q на характер распределения ветрового давления интересует многих исследователей. Например, А.М. Смирнов установил, что отрицательное давление (отсос) для мягких сферических оболочек больше, чем для жестких, на 10—15% при h:D = 0,25 и на 25% при h:D = 0,75, причем максимальная его ордината у мягких оболочек сдвигается навстречу потоку (рис. 4.19). Это подтверждается результатами наблюдений Х.Ю. Нимана и А. Нёлькера, В.П. Полякова и др. Вообще же влияние деформаций оболочки на картину распределения давления ветра изучено мало. Однако некоторые исследователи уже пришли к выводу, что при p/q≥0,4 это распределение не претерпевает существенных изменений даже при заметных формоизменениях оболочки.
Эпюра распределения ветрового давления в вертикальных поперечных сечениях цилиндрической оболочки мало отличается от эпюры для сферической оболочки. Продольное направление ветра представляет малый интерес в связи с большой жесткостью формы оболочки по ее длинной оси.
При расчете цилиндрических оболочек обычно предполагают направление ветра перпендикулярным продольной оси сооружения. Исследование картины распределения ветрового давления при различных направлениях ветра дало несколько неожиданный результат: максимальное воздействие наблюдается при отклонении ветра на 30° от перпендикулярного направления (рис. 4.20).
Расчетные нагрузки

Расчетные нагрузки

Интенсивность ветрового воздействия в области как положительного давления, так и отсоса заметно падает с уменьшением относительной высоты оболочки (рис. 4.19, б —з, рис. 4.21). У пологих оболочек область положительного давления вообще может отсутствовать.
Продувки мягких моделей сферических куполов показали, что при малом центральном угле опорного контура (2φ<п/2) наблюдается динамическая неустойчивость купола. У. Бэрд отмечает, что чем меньше этот угол, тем ниже частота собственных колебаний купола и тем вероятнее возникновение тех низкочастотных автоколебаний, которые американцы называют бафтингом.
Правомерность распространения результатов продувки моделей в аэродинамической трубе (рис. 4.22) на натурные сооружения нуждается в подтверждении контрольными испытаниями оболочек натуральной величины. Единственная известная нам попытка таких испытаний, предпринятая А.М. Смирновым, к конкретным выводам не привела вследствие малых зарегистрированных скоростей ветра (3,1м/с).
Расчетные нагрузки

Главными параметрами при моделировании являются скорость воздушного потока в трубе и число Рейнольдса (Re), при котором данные продувок могут считаться приемлемыми для практических целей. Из рассуждений Х.Ю. Нимана следует, что скорость воздушного потока в аэродинамической трубе должна быть
Расчетные нагрузки

Считается, что при Re=1*10в6 результаты испытаний мягких моделей приемлемы для натурных оболочек, у которых обычно Re = 2*10в7.
Из отечественных исследований наибольшей широтой отличается эксперимент В.П. Полякова. Мягкая сферическая модель диаметром 4,2 и высотой 3,36 м продувалась в трубе эллиптического сечения 24x14 м. Помимо характера распределения давления по поверхности оболочки при отношениях ψ = p/q от 0,1 до 5 определялись аэродинамические характеристики Cx, Cy, Cz, mх, mу, mz и изменения формы модели путем стереофотограмметрии поверхности оболочки. Результаты некоторых продувок представлены на рис. 4.23 в виде изобар.
Расчетные нагрузки

Особый интерес представляют те результаты экспериментов с моделями мягких оболочек, которые устанавливают критические отношения ψ, когда на поверхности оболочки начинают появляться заметные ветровые «ложки» и она входит в особо неблагоприятный режим низкочастотных колебаний. В табл. 4.7 приведены критические значения ψ, узаконенные или экспериментально подтвержденные в некоторых странах.
Расчетные нагрузки

В зоне ветровых «ложек» и ее ближайших окрестностях возникают области одноосного или даже нулевого напряженного состояния. Оно захватывает тем большую площадь, чем меньше отношение ψ. Эффект возникновения зон одноосного напряжения сферической оболочки с h/R = 3/2 исследован И.А. Даниляк, В.М. Никиреевым и В.П. Поляковым. По данным их продувок построен график (рис. 4.24) зависимости деформаций W оболочки от отношения -ψ, показывающий резкое повышение деформаций (образование одноосных зон) при критических значениях ψ<1,25. Границы перехода от двухосного напряженного состояния к одноосному при иных относительных высотах сферических оболочек показаны на графике рис. 4.24, б.
Расчетные нагрузки

В нормах ФРГ дается непосредственно значение избыточного давления р, при котором устойчивость оболочки считается обеспеченной:
Расчетные нагрузки

В сооружениях весьма ответственных, например укрытиях антенн межконтинентальной связи Тельстар, где перемещения оболочек жестко ограничены, уровень давления по отношению к скоростному напору ветра вышe значений, указанных в табл. 4.7. Для купола диаметром 64 м с относительной высотой h/D=0,75 давление регулировалось автоматически при скорости ветра
Расчетные нагрузки

Соответственные отношения p/q равны 1,52: 1,36:11.
3. Голуб (Чехия) исследовал деформации мягкой модели полусферического купола радиуса r в потоке воздуха (модель была установлена на крыше автомобиля). Получена эмпирическая формула зависимости максимального перемещения оболочки Δr (вмятины в точке с координатой φ = 30°) от отношения ψ=p/q:
Расчетные нагрузки

Вследствие исключительной легкости пневматических оболочек отрицательное ветровое давление становится основным силовым фактором в системе нагрузок, тогда как в случае жестких оболочек оно в значительной мере или полностью нейтрализуется собственной массой конструкции. Поэтому большое значение приобретает точность математической интерпретации ветровой нагрузки.
Общим выражением закона распределения ветровой нагрузки по поверхности оболочки будет:
Расчетные нагрузки

Функция С (θ, φ), определяющая характер изменения ветровых нагрузок по поверхности, не имеет теоретического обоснования ввиду сложности физического процесса обтекания. Мягкость оболочек порождает дополнительные затруднения. Известны попытки выражения функции эмпирическими формулами. Представляя собой, как правило, тригонометрический ряд, эти формулы отличаются числом членов и коэффициентами, значения которых зависят от формы оболочки.
Наиболее простым (но и наиболее далеким от истины) является выражение
Расчетные нагрузки

изображающее ветровое давление антисимметричным в плоскости yz. Ближе к действительности двучленная формула
Расчетные нагрузки

Дальнейшее уточнение картины распределения ветрового давления по поверхности сферической оболочки привело к формуле вида
Расчетные нагрузки

или к другим, еще более громоздким.
Материалы исследований ветрового воздействия на пневматические оболочки разнообразных форм при различных соотношениях избыточного давления и скоростного напора продолжают накапливаться. Однако их еще недостаточно для того, чтобы обосновать функцию С(φ,θ) теоретически.
Следует иметь в виду, что представление эпюры ветрового давления тригонометрическими функциями имеет смысл лишь тогда, когда изыскиваются пути аналитического решения. При применении численных методов с использованием ЭВМ в этом нет необходимости: ординаты нагрузки могут быть заданы дискретно, в полном соответствии с данными аэродинамических продувок.
Для ориентировочных, приближенных расчетов цилиндрических и сферических оболочек можно пользоваться данными табл. 8 СНиП II-6-74 для цилиндров с h/d=1 при Re≥4*105.
Естественно возникает вопрос о влиянии точности интерпретации ветровой нагрузки на конечные результаты расчета. Э. У. Росс рассмотрел два варианта распределения ветрового давления. Первый, типа, показанного на рис. 4.19, получен в аэродинамической трубе, второй имеет вид ступенчатой эпюры: +0,8 q для наветренной стороны и — 0,8 q для подветренной. Сравнение показывает, что при втором варианте удовлетворительные результаты могут быть получены только для силовых показателей — натяжения оболочки, равнодействующих V, H и М. Что же касается деформаций, то здесь отмечаются совершенно недопустимые расхождения.
Порывистый ветер превращает задачу расчета оболочки в динамическую, с учетом инерционных сил. Они проявляются особенно ярко, когда оболочка получает возможность некоторого перемещения в потоке воздуха. Если ветровая нагрузка носит импульсивный характер, то и методика расчета должна отражать это явление. Замечено, что большинство случаев разрыва оболочек приходится на те моменты, когда избыточное давление под оболочкой существенно ниже интенсивности ветрового напора. В слабо надутой оболочке воздух обретает свободу перемещения и, будучи увлечен ветровым потоком вместе с оболочкой, приобретает некоторую скорость. Кинетическая энергия системы оболочка — воздух гасится в тот момент, когда оболочка становится препятствием для дальнейшего ее перемещения. Если она выдерживает этот аэродинамический удар, упруго отбрасывая воздух назад, навстречу ветру, последний опять подхватывает слабо поддутую оболочку, и удары повторяются, что может кончиться ее разрывом.
Технологические и специальные нагрузки. В ряде случаев эксплуатация воздухоопорных зданий связана с необходимостью подвески легкого оборудования, являющегося для оболочки сосредоточенной нагрузкой. Вообще говоря, она нежелательна, однако порой неизбежна. Это главным образом электропроводка, арматура, светильники и т. п.
Воздухоопорные оболочки нередко используются в качестве подъемников, опалубки, плотин и т. д. В каждом особом случае нагрузки исчисляются в соответствии со спецификой работы, выполняемой пневматической конструкцией (например, рис. 4.25).
Расчетные нагрузки