Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Оболочки, усиленные канатами и сетями

Размеры воздухоопорных зданий ограничены прочностью применяемых мягких материалов, каждому из которых соответствуют свои пределы. При превышении их необходимо усиление оболочки системой разгружающих канатов или сеток.
Любая система нитей, плотно облегающих мягкую оболочку, в той или иной степени препятствует ее свободным деформациям под действием нагрузки. Доля участия системы в статической работе сооружения определяется соотношением жесткостей при растяжении (EF) оболочки и нитей, а также частотой расположения нитей. Чем выше относительная жесткость нитей, роль которых могут играть веревки, фалы, канаты из синтетического и натурального волокна или стальные тросы, тем меньшие усилия приходятся на долю собственно оболочки. Уменьшение шага нитей также снижает роль оболочки в восприятии возникающих усилий.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Оболочки, усиленные сетями, можно разбить на три группы.
1. Оболочки, покрытые сетью с частой (измеряемой сантиметрами) ячеей. В этом случае форма сооружения определяется раскроем сети, воспринимающей основные усилия. Материал оболочки обеспечивает только воздухонепроницаемость и поэтому может быть малопрочным и низкомодульным. Сеть, первоначально плоская, облегает выпуклую оболочку, как сеть Чебышева, вследствие изменения сетевых улов ячеек. Типичными примерами оболочек этой группы могут служить теплицы из прозрачных полимерных пленок, покрытых сетями типа рыболовных (рис. 2.5, а), спроектированные и смонтированные Ленинградским агрофизическим НИИ.
2. Оболочки, покрытые сетью с крупной (около 1 м) ячеей. Форма сооружения определяется раскроем оболочки и соответственно связанной сетью. Оболочка выкраивается гладкой, без учета расположения канатов. Выпуклости между канатами образуются из-за местных деформаций оболочки. Сеть не связана с оболочкой, и ее смещения относительно оболочки свободны. Материал оболочки работает в пределах, ограниченных канатами, однако возможно и совместное восприятие основных усилий. Примером могут быть оболочки, изготовляемые американской фирмой «Эйр-Tex» (рис. 2.5, б).
3. Оболочки, усиленные сетью с очень крупной (несколько м) ячеей (рис. 2.5, в, г). При раскрое учитывается расположение канатов, связанных с оболочкой. Смещения канатов, относительно оболочки возможны, но ограничены. Основные растягивающие усилия в сооружении воспринимают канаты. Материал оболочки работает локально — в пределах ячеи. В качестве примера можно назвать серию воздухоопорных оболочек, перекрывающих спортзалы (рис. 2.6). Подкрепление отдельными канатами, не сплетенными в сеть, как правило, связано с существенными формоизменениями оболочки, вызванными конструктивными и архитектурныными мотивами. Общая поверхность сооружения расчленяется канатами на ряд выпуклых поверхностей. При этом резко выраженные выпуклости требуют специального раскроя оболочки. Расчетно-конструктивный эффект такого расчленения оболочки связан с уменьшением радиуса ее кривизны и соответствующим снижением напряжений; архитектурный — с возросшими возможностями варьирования объемов и пластики фасадов и интерьеров. Наиболее простыми представителями такой группы сооружений являются оболочки цилиндрического типа, обтянутые кольцевыми канатами (рис. 2.7,а — в). Поскольку в таких оболочках продольные усилия вдвое меньше кольцевых, а последние почти полностью воспринимаются канатами, то это мероприятие в конечном счете приводит к двукратному снижению максимальных расчетных усилий и соответственному снижению прочностных требований к материалу. Сфероподобные оболочки (рис. 2.7, г) обычно усиливаются меридиональными канатами, принимающими на себя усилия этого направления. В широтных направлениях усилия резко падают в связи с уменьшением радиуса кривизны оболочки в горизонтальных сечениях.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Эксперименты автора по усилению капроновыми фалами цилиндрической оболочки 40X20 м из армированной пленки (рис. 2.8,а) были продолжены по расширенной методике В.А. Мешкуровым. Испытаниям подверглись два сооружения — цилиндрическое размерами 12х6 м (рис. 2.8,6) и полусферическое диаметром 6 м (рис. 2.8, в).
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Оболочки, усиленные канатами и сетями

Проектная разработка, сопровождавшаяся моделированием в масштабе 1:10, — покрытие катка размерами в плане 183х86 м при высоте 20 м выполнена В. С. Поляковым. Цилиндрическое сооружение (рис. 2.8,г) усилено кольцевыми канатами с шагом 9 м. Оболочке придана такая форма, что она напряжена только в продольном направлении. Это дает возможность использовать материалы с ярко выраженной ортогональной анизотропией.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Усиление мягких оболочек канатами — эффективный путь решения проблемы больших пролетов пневматических сооружений. Предельный пролет оболочки без усиления определяется прочностью ее материала. Достигнутые в настоящее время рекордные пролеты цилиндрических оболочек 57 м (кегельбан в Осаке, Япония, 1966 г.) и сферических 73,4 м (каток в Форсса, Финляндия, 1972 г. и выставочный павильон в Минске, 1976 г.) можно считать и предельными: они до сих пор не превзойдены (табл. 2.1, рис. 2.9). Дальнейшее увеличение пролетов становится экономически нецелесообразным вследствие роста стоимости высокопрочного материала.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Оболочки, усиленные канатами и сетями

Применение усиливающих канатов и сетей, стоимость которых невысока, позволяет использовать сравнительно малопрочные, недорогие материалы для оболочек. Пролет пневматических зданий этого типа еще в 1972 г. достиг 100-мого рубежа. В 1975 г. было смонтировано покрытие стадиона в Сидар-Фоллсе и в Гонтиаке (США) с пролетами соответственно 129 и 108 м (рис. 2.10)
Проблема больших пролетов связана не только с вопросами прочности материалов. Усилия, развивающиеся в оболочке, зависят от ее формы (главным образом от относительной высоты), давления воздуха под оболочкой, размера и характера распределения ветровогo давления и других нагрузок.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Для пневматических зданий больших пролетов пропорции малых оболочек становятся неприемлемыми. Например, если для пролета 30 м высота 10—15 м в вершине естественна, а порой функционально необходима, тo при пролете 300 м высота 100—150 м оказывается бессмысленной.
Рассмотрим задачу об оптимальной высоте на примере сферической оболочки, полагая, что полученные мл я нее основные выводы будут справедливы и для остальных форм.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Оболочки, усиленные канатами и сетями

Если считать избыточное давление воздуха единственным фактором напряженного состояния оболочки, то функция массы, как было показано выше, будет иметь минимум при h = 0,288l.
Учет ветрового воздействия существенно влияет на решение задачи. Хотя в настоящее время нет обобщенных данных об аэродинамике пневматических сооружений и в общем виде задача пока не решена, качественные следствия уменьшения высоты оболочки в основном ясны:
1) интенсивность положительного давления ветра несколько снижается, что позволяет соответственно снизить уровень избыточного давления воздуха под оболочкой;
2) размеры зоны положительного давления ветра существенно сокращаются, вследствие чего основным силовым воздействием ветра на оболочку становится отсос;
3) интенсивность отрицательного давления ветра также снижается, что влечет за собой соответственное уменьшение усилий в оболочке.
Таким образом, к уже отмеченному положительному следствию уменьшения высоты оболочки — сокращению площади ее поверхности — добавляются еще три, что отражается на дальнейшем снижении оптимальной высоты оболочки.
Специалисты американской фирмы «Бэрдэйр считают, что область наименьших натяжений оболочки лежит в пределах относительных высот от 10 до 30%. Усилие при этом составляет около 70% усилия в полусферической оболочке. При дальнейшем снижении высоты оболочки зона активного давления ветра исчезает совсем, и тогда внутреннее давление можно снизить до уровня, необходимого лишь для поддержания оболочки в штиль.
Одно из крупнейших пневматических сооружений — павильон США на ЭКСПО-70 в Осаке пролетом 78 м и высоте оболочки 7 м — было смонтировано на земляной насыпи высотой до 8 м (см. рис. 2.41, в). Поэтому активная часть ветрового давления приходилась на насыпь, а на саму оболочку действовал только отсос. По подсчетам одного из авторов этого проекта, Д. Гайгера, в таких случаях оптимальная относительная высота оболочки может быть снижена до h = (0,05 ... 0,07) l.
Сейчас отработан тип большепролетных (60—200 м) пневматических сооружений отличающихся малой (10—15%) относительной высотой, ромбической сеткой стальных канатов с шагом 6—12 м и оболочкой из стеклоткани, покрытой с обеих сторон ПВХ. Эта система была проверена па ЭКСПО-70 и сейчас применена в США для четырех спортивных сооружений. Узлы крепления канатов к их опорному кольцу показаны на рис. 2.11.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Весьма существен рисунок расположения канатов на поверхности пневматической оболочки. Желательно (но не обязательно), чтобы основное направление канатов совпадало с траекториями наибольших усилий. В цилиндрических оболочках, где кольцевые усилия значительно больше продольных, главным направлением канатов будет кольцевое. Однако ромбическая сетка, несколько вытянутая в кольцевом направлении, способствует снижению не только кольцевых, по и продольных усилий. Оболочки на круговом плане, особенно сферические купола, где усилия любых направлений в любой точке, как правило, почти равновелики, нуждаются в равнопрочной во всех направлениях сетке, которая может быть геодезической для подъемистых куполов или треугольной для пологих. Отдавая должное тектонике и красоте геодезической сетки, следует учесть преимущества ромбической и треугольной систем: их простоту и непрерывность (от опоры к опоре) канатов, неразрезно и плавно соединяющих противолежащие точки опорного контура. Следует отметить большую «поверхностную жесткость» треугольной сетки, что играет определенную роль при горизонтальных нагрузках, помогая материалу оболочки противодействовать касательным усилиям. Расположение тросов в виде сетки Чебышева или меридиональноширотное рекомендовано быть не может в связи с неравномерным распределением усиливающих элементов по поверхности оболочки.
Особо стоит вопрос об использовании материалов с ярко выраженными признаками ортогональной антизотропии. В этом случае имеет смысл такое расположение канатов, при котором напряженное состояние оболочки приобретает характер одноосного. Цилиндрические оболочки в этом случае становятся «гофрированными», а сферические — «зонтичными».
Вопрос о размещении канатов по отношению к оболочке (над или под ней) решается в зависимости от технологических или конструктивных особенностей конкретного объекта. Верхнее расположение (рис. 2.12, б) отличается простотой конструкции и непосредственной передачей усилий сетке. В то же время сетка на поверхности сооружения задерживает снег, канаты находятся под воздействием прямой солнечной радиации, что при использовании синтетических материалов весьма нежелательно. При нижнем расположении канатов (рис. 2.12, а, б) эти недостатки устраняются, однако конструкция усложняется промежуточными соединительными элементами (полотнищами, шнуровкой и т. п.), работающими в невыгодных условиях — на отрыв от оболочки. Детали присоединения оболочки к канатам показаны на рис. 2.13.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Роль сетей, обтягивающих мягкую оболочку воздухоопорного типа, несколько отличается от роли канатов. Сети, как элементы усиления конструкции воздухоопорного сооружения, не искажают формы оболочки, приспосабливаются к ней и лишь при крупных размерах ячеек влияют на ее фактору и работают в обоих главных направлениях.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Канаты, наоборот, часто используют, чтобы изменить формы оболочки в соответствии с архитектурным замыслом или функциональными требованиями. Они, как правило, разгружают оболочку частично, не освобождая ее полностью от восприятия усилий в некоторых направлениях. Формируя объем сооружения, канаты обычно фиксируются на оболочке, деформируясь и перемещаясь вместе с ней. Таким образом, канаты, обтягивающие оболочку, можно рассматривать не только как усиливающие, но и как формирующие элементы пневматического сооружения.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Функции канатов как элементов сооружения, формирующих оболочку, могут выполнять и мягкие диафрагмы из материала оболочек (рис. 2.14). Диафрагмы с целью придания им жесткости в своей плоскости усиливают по нижней кромке трос-подбором, снабжают оттяжками или доводят до пола. Диафрагмы повышают стабильность оболочки, особенно при действии горизонтальных (ветровых) нагрузок.
Оболочки, усиленные канатами и сетями

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: