Основные формы, принципы работы под нагрузкой и расчетные схемы, пространственных конструкций из дерева и пластмасс
Содержание материала
- Основные формы, принципы работы под нагрузкой и расчетные схемы, пространственных конструкций из дерева и пластмасс
- Гладкие пластмассовые своды
- Сборные сводчатые покрытия
- Волнистые своды
- Складчатые своды
- Структурные сводчатые покрытия
- Конструктивное выполнение кружально-сетчатых сводов из дощатых и клеефанерных косяков
- Клеефанерные косяки варианта со стальными деталями
- Своды из клеефанерных косяков с бесшарнирными узлами
- Расчет элементов кружально-сетчатого свода
- Кружально-сетчатые купола из сомкнутых сводов
- Расчет кружально-сетчатых куполов из сомкнутых сводов
- Расчетная схема одного сектора сетчатого сомкнутого свода
- Возведение кружально-сетчатых сомкнутых сводов
- Деревянные и пластмассовые купола из плоскостных конструкций
- Расчетные схемы арок
- Тонкостенные купола-оболочки
- Тонкостенный купол-оболочка
- Статический расчет куполов-оболочек
- Определение усилий от собственного веса
- Определение усилий от снеговой нагрузки
- Определение усилий от ветровой нагрузки
- Структурные конструкции
- Нагрузки и изгибающие моменты в перекрестных балках при квадратных в плане перекрытиях
- Принципы конструктивного выполнения и работы под нагрузкой сооружений и конструкций из тканей и пленок
- Воздухоопорные пневмооболочки
- Пневмовантовые оболочки
- Пневмовантовый свод
- Пневмокаркасные конструкции
- Тентовые конструкции
- Пневматические конструкции воздухоопорного типа
- Анкерное устройство
- Расчет оболочек воздухоопорных конструкций
- Расчет пневматических конструкций
- Пневмокаркасные (воздухонапорные) конструкции
- Все страницы
Пространственные конструкции из древесных и синтетических материалов отличаются большим разнообразием видов и конструктивных особенностей.
Как и любые пространственные конструкции они, как правило, совмещают в себе несущие и ограждающие функции, при одном и том же расходе материала обладают более высокой надежностью и несущей способностью, их характеризует меньшая материалоемкость, а при агрессивности среды — большая долговечность.
Пространственные конструкции из дерева и пластмасс успешно применяют при малых пролетах (3—4 м), средних (до 36 м) и больших — висячие покрытия до 100 м, сводчатые до 140 м, купола до 257 м. Эти материалы позволяют создавать разнообразные конструктивные формы, реализующие практически любые замыслы проектировщиков.
С точки зрения формы применяемые в конструкциях из древесины и синтетических материалов оболочки можно разделить на следующие типы: 1) призматические (складки, своды); 2) цилиндрические (нулевой гауссовой кривизны); 3) эллиптические (положительной гауссовой кривизны); 4) гиперболические (отрицательной гауссовой кривизны). Меньшее распространение получили оболочки комбинированные (из частей различной кривизны) и произвольной формы.
С точки зрения конструктивного признака целесообразно выделить два наиболее распространенных типа покрытий — своды и купола (сферические, конические, гиперболические и т. д.). По общему конструктивному исполнению оболочки могут быть тонкостенные, ребристые, сетчатые; по типу поперечного сечения — одно-, двух- и трехслойные.
Гладкие пластмассовые своды сплошные, однослойные и двухслойные обычно применяют для небольших пролетов (до 4 м) в закрытых переходах и световых фонарях. Своды могут быть предварительно напряженными, светопрозрачными и несветопрозрачными. Основной материал — полиэфирный стеклопластик.
Гладкие трехслойные своды имеют обшивки из листовых материалов (фанера, стеклопластик) и средний слой из пенопласта. Панели свода могут быть криволинейного очертания или плоскими, вписывающимися в окружность. В зависимости от пролета и длины дуги свода размер панели по хорде принимают обычно до 6м. Ширина панели 1,5; 2; 3м. Учитывая сборную конструкцию свода, особое внимание уделяется конструированию стыков панелей.
Расчетной схемой свода является трехшарнирная арка шириной 1 м. Методика расчета панели на прочность аналогична расчету плоских панелей покрытия с дополнительным учетом продольной силы.
Ребристые своды имеют одну или две обшивки из листового материала (стеклопластик, водостойкая фанера) и деревянные, пластмассовые или металлические ребра. В отапливаемых зданиях между обшивками размещают утеплитель из пенопласта или минераловатных плит. Для сокращения числа монтажных элементов секцию свода проектируют из двух частей. Форма поверхности покрытия может быть разнообразной, но чаще всего цилиндрической или стрельчатой. Сборные элементы соединяют выступающими ребрами с помощью стяжных болтов, обеспечивающих необходимую плотность для герметизации стыков. Ребра сводов могут быть криволинейными из клееных элементов или из одиночных досок на ребро, соединенных между собой зубчатым клеевым соединением или фанерными накладками.
Примером сборных ребристых сводов могут быть сводчатые покрытия складских помещений, показанные на рис. 1Х.1,а, б. Стрельчатый свод пролетом 12 и 18 м состоит из криволинейных клеефанерных панелей шириной 1,5 м с двумя обшивками из водостойкой фанеры. Для соединения смежных панелей болтами запроектированы выступающие ребра. Для складов минеральных удобрений целесообразно использовать стеклопластиковые болты. Свод опирается непосредственно на фундаменты.
Сводчатое многогранное покрытие (рис. IX. 1, б) из дощатых ребер и стеклопластиковой обшивки пролетом 12 и 18 м разработано применительно к складам минеральных удобрений. Состоит из двух монтажных блоков в каждой секции, стыкуемых в коньке болтами. Диагональные элементы каркаса предназначены для увеличения жесткости и обеспечения устойчивости тонкой обшивки (2—3 мм). Для повышения естественной освещенности часть блоков или все блоки могут иметь обшивки из светопроницаемого полиэфирного стеклопластика.
Статический расчет ребристого свода выполняют по схеме двух- или трехшарнирной арки на нагрузки от собственного веса конструкции, снега и ветра. Для расчета выделяют полосу шириной, равной ширине панели. При определении приведенных геометрических характеристик сечения (F, W, J) учитывают различные модули упругости материалов (древесины, фанеры, стеклопластика и т. д.).
Волнистые своды наибольшее распространение получили в пластмассовых покрытиях пролетом до 18—20 м, хотя имеются разработки волнистых сводчатых покрытий пролетом 30 м из фанерных элементов двоякой кривизны.
Лотковые пластмассовые элементы волнистых сводов обычно изготовляют из пдлиэфирного стеклопластика (светопрозрачного или несветопрозрачного) толщиной 1—4 мм, шириной 0,75—1,6 м, при высоте поперечного сечения до 0,6 м. Элементы соединяются внахлестку на клею или на болтах. Швы герметизируются стекложгутом или лентой на полиэфирном клее. Очертание поперечного сечения лотковых элементов может быть самым разнообразным. На рис. IX.l,s показано стеклопласти-ковое светопроницаемое сводчатое покрытие теплицы в г. Гроссбеерене (ГДР), пролетом 18 м. Элементы свода представляют собой оболочку двоякой кривизны, усиленную ребрами-диафрагмами с эллиптическим очертанием оси. Для лучшего светопроницания элементы армированы только одним слоем стекломата. Оболочки изготовляли вручную способом контактного формования. Свод не рассчитан на снеговую нагр-у.
Общий расчет волнистых элементов ведут как арочных конструкций. Местный расчет лотков в поперечном направлении зависит от конструктивных особенностей и формы элементов.
Складчатые своды чаще всего выполняют из ромбических элементов, согнутых по большой диагонали (рис. IX.2). Ромбические панели состоят из контурных ребер и обшивок. Обшивки делают из одного или двух слоев листового материала — стеклопластика, фанеры. Ребра могут быть стеклопластиковыми, фанерными или деревянными. Для утепленных покрытий вводят слой пенопласта. Осуществленные стеклопластиковые складчатые своды из ромбических панелей имеют пролет до 20 м и используются для покрытия спортивных, торговых, складских, производственных и других зданий. На рис, IX.2 показано сводчатое покрытие, собираемое из стеклопластиковых трехслойных панелей толщиной 48 мм с размером диагоналей 3 и 6 м. Дверные проемы в покрытии размещают в торцах и боковых сторонах свода. Некоторые .элементы выполнены светопроницаемыми.
Расчет свода из ромбовидных складчатых элементов можно выполнить как арочной полоски шириной, равной ширине панели. При этом площадь поперечного сечения арки считается постоянной, а момент инерции переменным. Усредненный момент инерции поперечного сечения арки можно определить из уравнения
Расчет на местную нагрузку треугольной грани сводят к расчету на сосредоточенную силу круглой пластинки радиусом , вписанной в треугольный контур. Прогиб треугольной пластинки под точкой приложений силы определяют из выражения
Структурные сводчатые покрытия изготовляют из однотипных тонкостенных объемных элементов стеклопла-стиковых или фанерных и соединяющих их вершины стержней. Объемные элементы могут быть пирамидальной формы или седловидной. Стержни выполняют из стеклопластиковых или металлических профильных элементов. Можно применять предварительно напряженные тросы. В любом случае образуется двухпоясная конструкция, одним поясом которой являются стержни, соединяющие вершины объемных элементов, другим—ребра пирамид, которыми они соединяются один с другим. Объемными раскосами системы служат грани пирамид. При объемных элементах в форме гипаров поясами являются стержневые элементы, соединяющие соответственно верхние и нижние вершины параболических гиперболоидов. Пролет сводчатых покрытий структурной конструкции 12—24 м.
На рис. IX.3 приведена конструктивная схема свода из пластмассовых пирамидальных элементов и стержневого каркаса из предварительно напрягаемых алюминиевых труб.
Структурные сводчатые покрытия рассчитывают с применением ЭВМ как многократно статически неопределимые конструкции. Для предварительного назначения сечения можно расчленять покрытие на арочные полосы, рассматривая их как сквозные арки.
Своды бочарного очертания из древесины и пластмасс не нашли в строительстве широкого применения, хотя и обладают большими потенциальными возможностями и используются в железобетонных и армоцементных конструкциях. В Ленинградском инженерно-строительном институте спроектирован бочарный свод пролетом 24 м из панелей длиной 6,4, шириной 1,2 м с фанерной обшивкой двоякой кривизны, приклеенной к продольным и поперечным криволинейным ребрам. Фанера двоякой кривизны может быть изготовлена по обычной технологии с заменой плоских прессовых плит на плиты с поверхностью двоякой кривизны.
Конструктивное выполнение кружально-сетчатых сводов из дощатых и клеефанерных косяков.
Применение составных клеефанерных косяков с узлами на шипах (рис. IX. 12) позволяет перекрывать кружально-сет-чатыми сводами большие пролеты при сравнительно небольшом собственном весе конструкции.
Наличие фанерной стенки в косяках устраняет опасность их разрыва поперек волокон, а сложная форма шипа упрощается изготовлением клеефанерных косяков крыловатой (винтообразной) формы (рис. IX. 12, а), что исключает необходимость закручивания косяка при сборке свода. Угол поворота θ торцовых сечений по отношению к сечению в середине длины косяка определяют по формуле
где — центральный угол, стягиваемый дугой, равный s/2.
Косяки имеют коробчатое сечение и состоят из поясов, выполненных из досок толщиной 33 мм и ребер жесткости, служащих для придания фанерным стенкам достаточной устойчивости. На концах и посередине косяки имеют сплошное сечение. Стыки листов фанеры перекрывают накладками на клею. Решение основного узла свода из клеефанерных косяков и разложение продольных сил в узле показаны на рис. IX. 12. Конструкция и расчет составных косяков аналогичны составным балкам с фанерной стенкой.
Клеефанерные косяки варианта со стальными деталями в кружально-сетчатом своде с бесшарнирными узлами 2 выполняют прямолинейными крыловатой формы (рис. IX. 13) с таким расчетом, чтобы концы набегающих косяков располагались несколько выше сквозного косяка (рис. IX. 14) и работали не только на сжатие, но и на растяжение от изгиба.
бегающие косяки в узлах передают один другому нормальные усилия сжатия непосредственно упором торец в торец, а не в боковую грань сквозного косяка поперек волокон, как в обычных кружально-сетчатых конструкциях. Для пропуска торцов нижнего пояса набегающих косяков в сквозных косяках посередине их длины в фанерных стенах над нижним поясом вырезают соответствующих размеров и формы отверстие (см. рис. IX.14). На концах косяка к поясам приклеивают с двух сторон ступенчатые накладки. Растягивающие усилия от' изгибающего момента, который действует в стыковом сечении между торцами набегающих косяков, воспринимаются сварными стальными деталями (см. рис. IX.14), расположенными в специальных вырезах в торцах косяков. При таком выполнении узлового соединения косяков создается возможность полноценного восприятия в узлах набегающими косяками изгибающих моментов наравне со сквозными косяками. Кроме того, натяжением болтовых элементов сварной детали обеспечивается плотность узлового соединения, исключающая рыхлые деформации.
Отсутствие шарнирного соединения в узлах приводит к тому, что поперечная сила в косяках уменьшается во "много раз и становится равной поперечной силе в арке.
При этом значительно облегчается конструкция свода,повышается его жесткость, надежность.
Центрирование узлов сетки не только повышает архитектурные достоинства свода, но также улучшает его работу, исключая возникновение изгибающих моментов, действующих из плоскости косяков.
Своды из клеефанерных косяков с бесшарнирными узлами можно выполнять с косоугольной (ромбической) и прямоугольной сеткой. Последняя менее экономична, если длина перекрываемого здания существенно превышает его ширину (т. е. пролет свода).
Сетка свода образуется (рис. IX. 16) из двух типов косяков № 1 — правого и левого, которые различаются только направлением углов закручивания. Левый косяк является зеркальным отображением правого косяка. Угол закручивания правого косяка направлен (если смотреть со стороны торцов) по часовой стрелке, а левого — против часовой стрелки.
По контуру свода соединение сетки с окаймляющими конструктивными элементами (фронтонная арка и опорные брусья) выполняют с помощью двух косяков в каждом узле, из которых косяк № 1 является основным, а косяк № 2 образуется из соответствующего косяка № 1 перепиливанием его посередине длины нормально к продольной оси. Таким образом, из одного косяка № 1 правого или левого получают соответственно два одинаковых косяка № 2 (правых или левых). На одной половине свода во всех опорных и фронтонных узлах к арке примыкают левый косяк № 1 и правый № 2, а на другой половине свода — правый косяк № 1 и левый № 2.
Клеефанерные косяки приняты коробчатого сечения с двумя фанерными стенками, приклеенными с наружных сторон поясов. Наружное очертание сетки свода из-за прямолинейности верхней кромки косяка получается слегка волнистым. Во избежание этого к верхней грани косяков прикрепляют клиновидные накладки. Фронтонные арки выполняют из двух слоев клеефанерных косяков коробчатого сечения.
Расчет элементов кружально-сетчатого свода.
Кружально-сетчатый свод представляет собой сложную пространственную стержневую систему, точный расчет которой весьма сложен. В практике применяют расчет по приближенному методу, точность которого, как показали многочисленные опыты, вполне достаточна для использования при проектировании и правильно отражает действительную работу этой конструкции. Этот метод состоит в следующем.
Из свода нормально к его оси выделяют расчетную полосу шириной, равной шагу сетки с. В соответствии со схемой свода выделенную полосу рассматривают как плоскую двух- или трехшаряирную арку постоянной жесткости, нагруженную приходящейся на нее нагрузкой. Площадь сечения арки принимают равной площади ,сечения двух косяков, а момент инерции арки приравнивают моменту инерции одного косяка (в кружально-сетчатом своде из клеефанерных косяков с бесшарнирным узлом момент - инерции арки приравнивают моменту инерции двух косяков).
В каждом узле сетки обычного свода изгибающий момент воспринимается полностью только одним сквозным косяком. Полученный из расчета изгибающий момент Ма, действующий в плоскости арки, не совпадает с плоскостью сквозного косяка, что дополнительно вызывает в косяках крутящий момент, одинаково воспринимаемый обоими косяками (сквозным и набегающим). Если представить изгибающий момент, действующий в данном сечении, в виде силы N, приложенной с соответствующим плечом по отношению к центру рассчитываемого сечения, то изгибающий момент М1, воспринимаемый сквозным косяком, будет создаваться составляющей N', а составляющие N", действующие нормально к осям косяков, создадут в них крутящие моменты М".
Таким образом, изгибающий момент в сквозном косяке
где Ма — расчетный момент в арке; α — угол между косяками и образующей свода.
Крутящий момент в расчете косяков обычно не учитывают, так как он в основном воспринимается настилом, прикрепляемым к косякам.
В бесшарнирном узле из клеефанерных косяков, где оба направления косяков воспринимают изгибающий момент,
Благодаря пространственной работе покрытия на значение изгибающих косяки моментов оказывают влияние жесткие фронтоны, которые увеличивают жесткость покрытия и уменьшают прогибы и изгибающие моменты в косяках. Разгружающее действие жестких фронтонов определяют коэффициентом Кф, в зависимости от отношения B/SД, где В — расстояние между жесткими фронтонами; SД — длина дуги поперечного сечения свода.
Таким образом, расчетный изгибающий момент в косяке
а в бесшарнирном варианте из клеефанерных косяков
Кружально-сетчатые купола из сомкнутых сводов
Конструкции кружально-сетчатых сомкнутых сводов
Купол из сомкнутых сводов образует в плане правильный многоугольник и состоит из одинаковых секторов (рис. 1 и 2), являющихся частью цилиндрического свода. Смежные секторы сомкнутого свода соединяются между собой специальными ребрами, называемыми гуртами. Шаг сетки с, угол y между косяками и угол a между нижними ребрами косяков и образующей свода принимают такими же, как в цилиндрических кружально-сетчатых сводах.
Косяки, примыкающие к гуртам, соединены с ними «по месту». Гурт имеет эллиптическое очертание, которое при f £ Lc/5 может быть практически заменено окружностью, построенной по трем точкам - одна посередине и две по концам гурта. Для покрытий, особенно где косяки сетки клееные, целесообразно гурты выполнять также клееными - либо из стандартных косяков, как кружальные арки, либо из пакета гнутых досок, как клееные арки.
Нижнее распорное кольцо, имеющее очертание правильного многоугольника, может быть из стали или железобетона либо металлодеревянным из горизонтальных шпрёнгельных ферм, где изгибающие моменты воспринимаются деревянным поясом, а замкнутая многоугольная схема металлических шпренгелей воспринимает растягивающие усилия от распора. Верхнее сжатое кольцо решают обычно по принципу многослойной кружальной арки.
|
|
Расчет кружально-сетчатых куполов из сомкнутых сводов. Отдельные секторы кружально-сетчатых куполов из сомкнутых сводов работают как своды, опертые по трем сторонам. Чем больше секторов в сомкнутом своде, тем ближе его работа к работе куполов вращения. Приближенный расчет сомкнутых сводов обычно производят по безмоментной теории расчета куполов вращения. Меридиональное усилие Т1 от собственного веса купола на 1 м горизонтального сечения
T1 = (Sj/2Sinj)×g,
где Sj — длина дуги, стягивающая угол j (рис. 4).
Меридиональные усилия от снеговой нагрузки и кольцевые усилия от собственного веса и снега определяют по соответствующим формулам для сферических куполов-оболочек. Меридиональные усилия сжатия T1 и кольцевые усилия сжатия воспринимаются косяками сетки, а кольцевые усилия растяжения - кольцевым настилом. Усилие N1 (рис. 5), приходящееся на один косяк, находят по формуле
где - суммарное меридиональное усилие на 1 м образующей свода в сечении с углом j; - суммарное кольцевое усилие на 1 м дуги поперечного сечения свода при угле j; с — шаг косяков сетки вдоль образующей цилиндра; - шаг косяков сетки вдоль дуги поперечного сечения цилиндра.
Если в рассматриваемом узле Т2 является усилием растяжения, то последний член в формуле для N1 отпадает; само же усилие Т2 должно быть воспринято кольцевым настилом.
Сечение косяков обычно подбирают из условия смятия торцами набегающих косяков боковых граней сквозного косяка по формуле
N1/Fнт £ Rсм90,
где Fнт - площадь нетто нормального сечения косяка в торце для метального варианта; для варианта с узловым соединением на шипах из этой площади вычитают площадь нормального сечения шипа; высота косяка посередине его длины hK не должна быть меньше l/150Lc.
Кроме того, вдоль образующей свода в секторе проверяют отдельные полосы на продольный изгиб под действием сил сжатия Т2. Рассчитываемую полосу свода принимают равной по ширине (см. рис. 4), а по длине - расстоянию аn между осями смежных гуртов на уровне, соответствующем положению продольной оси расчетной полосы.
Длину аn определяют по формуле
an = 2RcSinj×tga1,
где j — центральный угол, соответствующий положению осевой линии an; a1 - половина центрального угла сектора в плане.
Положение расчетной полосы устанавливают подбором. Напряжение в косяках с учетом продольного изгиба проверяют по формуле
где jпр - коэффициент продольного изгиба.
Приведенная гибкость расчетной полосы аn
l = 3,5an/hк.
|
Сечение растянутого кольцевого настила подбирают аналогично подбору сечения куполов-оболочек. Кольцевые растягивающие усилия между отдельными секторами передаются с помощью гуртов. Прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют на соответствующее усилие в кольцевом настиле. Соединение косяков с настенным брусом и гуртом проверяют на смятие от усилий ni в косяках. В сжатой зоне кольцевых усилий при симметричной нагрузке кольцевой настил воспринимает только местную нагрузку в пролете между косяками. При несимметричной нагрузке неизменяемость сетки обеспечивается кольцевым настилом, который воспринимает при этом продольный распор в каждом секторе свода, определяемый на единицу длины дуги поперечного сечения свода по формуле
Прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют также на усилие Nn по аналогии с кружально-сетчатыми сводами. В растянутой зоне прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют на суммарное усилие Nn и Т2.
Нижнее опорное кольцо (многоугольное в плане) рассчитывают на растяжение и изгиб в горизонтальном направлении от распора свода при наличии сплошной вертикальной опоры и на косой изгиб при опирании кольца в отдельных точках (совпадающих обычно с положением гуртов). Растягивающее усилие в многоугольном кольце (см. рис. 4).
Nр = 0,5T1×Cosj0×B×ctga1.
Верхнее сжатое кольцо при многоугольном плане рассчитывают на сжатие усилием, определяемым по формуле
Nр = 0,5T1×Cosj1×a1×ctga1.
где a1 - сторона верхнего многоугольника кольца.
При круговом очертании верхнее кольцо рассчитывают так же, как в куполах-оболочках.
Узловые болты в конструкции сетчатого купола с узлами на болтах рассчитывают аналогично кружально-сетчатым сводам на усилие
Nб = N1×ctgy.
Если необходимо, чтобы сомкнутый свод воспринимал в условиях эксплуатации сосредоточенные нагрузки, их непосредственно передают на гурты, которые при этом рассчитывают как плоские трехшарнирные арки. Так же рассчитывают гурты, если при монтаже к ним подвешивают подмости или другие монтажные приспособления.
Возведение кружально-сетчатых сомкнутых сводов. При сборке сомкнутых сводов в качестве монтажных элементов часто используют усиленные гурты. Сборку свода ведут в такой последовательности. Сначала устанавливают и закрепляют нижнее опорное кольцо и центральную башню, на которую укладывают верхнее кольцо. После этого ставят усиленные гурты свода, которые рекомендуется поднимать и устанавливать спаренными для придания им пространственной жесткости. Гурты раскрепляют монтажными дощатыми раскосами, затем к ним подвешивают небольшие подмости в пределах одного сектора или даже части его.
Свод собирают секторами. Целесообразно собирать одновременно два противоположных сектора. Переходя к сборке следующих секторов, предварительно переносят и закрепляют подвесные подмости. В остальном сборка аналогична сборке кружально-сетчатых сводов. Может быть и другой способ возведения сомкнутых сетчатых сводов. Сначала собирают внизу все основные элементы (гурты, косяки, сетки и опорные брусья) отдельных секторов, а затем их поднимают и устанавливают на место. При этом примыкающие друг к другу секторы образуют спаренные гурты, что должно быть учтено при их расчете и конструировании.
Деревянные и пластмассовые купола из плоскостных конструкций (ребристые)
Ребристые купола
Ребристые купола - одна из первых конструктивных схем купольных покрытий, состоящая из отдельных, поставленных радиально плоскостных несущих криволинейных или прямолинейных ребер, опирающихся в верхнее и нижнее опорные кольца или фундаменты (рис. 1). Ограждающая часть покрытия, уложенная по верхним граням ребер, образует поверхность купола. Покрытие состоит из дощатых щитов или настила по кольцевым прогонам, клеефанерных или стеклопластиковых панелей.
Рис.1 Ребристые купола
а - схема купола; б в - варианты узлов примыкания ребер к верхнему кольцу; г — узел примы кавия ребер к фундаментам; д - поперечный разрез конического ребристого купола 1- ребро; 2 - прогоны или панели; 3 - скатные связи, 4 - кровля; 5 - верхнее металлическое опорное кольцо, 6 - металлическая планка, 7 - зубчатая шпонка. 8 - ребро жесткости, 9 - пластичный шарнир, 10 - клин из клееной древесины, 11 - полимербетон, 12 - столик опорного кольца
Несущие меридианные деревянные ребра постоянного или переменного сечения могут быть выполнены в виде полуарок (поверхности положительной гауссовой кривизны) или прямолинейных элементов (конические купола) из клееной древесины, фанеры или досок со сплошной или сквозной стенкой на гвоздях, а иногда из ферм. Несущие ребра увеличивают жесткость купола, позволяют воспринимать сосредоточенные нагрузки от оборудования, способствуют приданию оболочки проектной формы при возведении и облегчают монтаж покрытия. Высоту поперечного сечения ребер принимают в пределах 1/50—1/75 диаметра купола. Ребра устанавливают по нижнему опорному кольцу с шагом 4,5—6 м. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости и повышения общей жесткости покрытия между двумя соседними ребрами купола устанавливают связи. Количество пар ребер, соединенных связями, принимают не менее трех. Чаще всего ребра соединяют попарно по всему покрытию.
Дощатый настил укладывают по прогонам в два слоя - продольный и косой.
Верхнее сжатое кольцо (круглое или многоугольное) в отличие от кольца тонкостенных куполов-оболочек проектируют более жестким, учитывая его работу на изгиб и кручение, так как два ребра, расположенные в одной диаметральной плоскости, работают как арочная конструкция, прерванная в коньковом шарнире кольцом. При большом диаметре верхнее кольцо для повышения его жесткости и устойчивости раскрепляют внутренними распорками. Нижнее опорное кольцо как в тонкостенных куполах может быть круглого или многоугольного очертания из железобетона, металла или древесины. Соединение ребер с верхним и нижним кольцами осуществляется шарнирно (рис. 1).
Пример ребристого купола - покрытие крытого рынка в Волоколамске (рис. 2). Основными элементами ребристого купола диаметром 30 м являются 12 клееных деревянных меридианных ребер (полуарок). На отметке около 7 м сделано кольцо-затяжка из напрягаемой арматуры класса AI сечением 2020 мм. Нижние концы полуарок через пластинчатые шарниры опираются на железобетонные фундаменты (см. рис. 1,г), а верхние— в металлическое опорное кольцо из трубы диаметром 1020 мм (см. рис. 1, в); между основными ребрами устроены 12 витражных полуарок. Панели покрытия деревянные трехслойные с обшивкой из досок толщиной 19 и 25 мм. Заполнение панелей — минераловатные полужесткие плиты толщиной 80 мм. Панели опираются на клееные прогоны шагом 1,5 м. Кровля из оцинкованной стали. Высота купола 14,5 м. Вверху устроен фонарь.
По характеру работы к ребристым куполам относятся складчатые купола из древесины, фанеры, пластмасс и волнистые из стеклопластика. На рис. 3 показано складчатое купольное покрытие здания павильона детских игр в г. Блекпуле (США) диаметром около 20 м, высотой в центре зала 7 м. Каждое из 16 ребер собрано из четырех треугольных решетчатых элементов. Кровля купола выполнена из алюминиевых листов, распор воспринимается металлическим кольцом, опирающимся на стальные стойки.
Волнистые стеклопластиковые купола из лоткообраз-ных криволинейных элементов (волн) меридианной разрезки выполняют диаметром до 30 м. Масса покрытия на 1 м2 проекции составляет 10—20 кг. Толщина волны колеблется от 4 мм в центре до 8 мм по краям. Соединение болтовое. На рис. 4 приведен пример покрытия рынка в пригороде Парижа Сент-Уан диаметром 18 м, со стрелой подъема 3,3 м. Каждый из 20 волнистых элементов имеет ширину в основании 2,8, высоту 1,1 м, толщину 7 мм. Купол установлен в верхней части здания размером 36x18 м.
Расчет ребристых куполов на вертикальную симметричную относительно оси купола нагрузку может быть выполнен расчленением покрытия на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади треугольного очертания.
При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузки конструкцию также расчленяют на диаметрально расположенные арки. Арка, получающая от нагрузки наибольшее горизонтальное смещение, испытывает упругий отпор остальных арок, расположенных под углом к ней. Для простоты считают, что горизонтальные сечения купола не деформируются, а только смещаются в горизонтальном направлении одно относительно другого. Тогда упругий отпор на рассматриваемую арку можно считать приложенным в ключе арки (рис. 5, а) и усилия определяются из условия совместности деформаций всех арок в ключевом шарнире, используя при этом уравнение метода сил. Такой расчет можно выполнить по методике, изложенной в курсе «Металлические конструкции» под общей редакцией проф., д-ра техн. наук Е. И. Беленя.
Для приближенного расчета в запас прочности можно рассчитывать арки на все виды загружения как обычные плоские системы.
При подборе сечения арок в зависимости от жесткости и надежности их соединения с кольцевыми прогонами последние могут обеспечивать общую устойчивость меридианных ребер из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер при проверке устойчивости плоской формы деформирования. Расчет верхнего и нижнего колец выполняют аналогично куполам предыдущего типа.
Тонкостенные купола – оболочки из древесины и пластмасс. Основные принципы конструктивного выполнения и расчета
Тонкостенные купола-оболочки
По характеру работы к этой конструктивной схеме ближе всего относятся пластмассовые гладкие купола-оболочки однослойные, двух- и трехслойные. Однослойные пластмассовые купола изготовляют из полиметилме-такрилата (органическое стекло), полиэфирного стеклопластика (чаще всего светопрозрачного) и пенопласта (пенополистирол и др.). Трехслойные купола-оболочки сбщей толщиной от 15 до 50 мм имеют стеклопластико-вые обшивки толщиной до 3 мм и средний слой из пено-полистирола, пенополиуретана, пенополивинилхлорида, пенофенопласта, сотопласта и просто воздушной прослойки. Двухслойные оболочки состоят из наружного стеклопластикового слоя и внутреннего пенопластового.
Диаметр и толщина однослойных куполов из полиметилметакрилата соответственно достигают 10 м и 20 мм; из стеклопластика—9 м и 6 мм; из пенопласта—24 м и 200 мм. Трехслойные купола возводят диаметром до 25 м с общей толщиной оболочки до 50 мм.
Параметры двухслойных куполов аналогичны однослойным стеклопластиковым, так как внутренний пенопластовый слой в основном выполняет функцию утеплителя.
Интересным примером трехслойного пластмассового купола является покрытие выставочного павильона в г. Бергамо (Италия) (рис. 1). Диаметр купола 25 м, высота подъема 9 м, общая толщина оболочки 50 мм, обшивка из стеклопластика толщиной 3 мм, средний слой — пенопласт. Купол собран на болтах из 24 однотипных сегментов с размером понизу около 3,3 м, имеющих круглые проемы диаметром 1 м, заполненные акриловыми фонарями. Сегменты опираются на полое железобетонное кольцо с размещенным на нем техническим оборудованием. С двух сторон по диаметру купола устроены крупногабаритные проемы для въезда грузовых автомобилей. При необходимости можно стыковать несколько куполов по выступам входного обрамления проемов, получив тем самым многокупольное помещение. Масса покрытия на 1 м2 перекрываемой площади 20 кг.
Деревянные тонкостенные купола-оболочки проектируют диаметром 12—35 м; они, как правило, имеют сферическое очертание. Купол состоит (рис. 2) из меридианных ребер (арочек), верхнего и нижнего опорных колец, кольцевого и косого настилов.
Меридианные ребра воспринимают сжимающие усилия в оболочке по направлению меридиана и передают их на верхние и нижние опорные кольца. Ребра состоят из нескольких слоев склеенных или сбитых гвоздями досок, общей высотой поперечного сечения не менее 1/250 диаметра купола, которую принимают из условия его жесткости. Шаг ребер по нижнему опорному кольцу назначают 0,8—1,5 м. Верхние концы ребер присоединяют шарнирно к верхнему сжатому кольцу. Ребра передают на кольцо продольную и поперечную силу. Соединения осуществляют металлическими накладками, присоединяемыми к ребрам болтами, глухарями или зубчатыми шпонками. При значительных поперечных усилиях применяют сварные металлические башмаки.
Верхнее кольцо изготовляют металлическим или деревянным. Деревянные кольца могут быть клееными или кружальными на гвоздях. Диаметр верхнего кольца принимают таким, чтобы к нему беспрепятственно примыкало требуемое количество меридианных ребер. Отверстие кольца часто используют как световой или аэрационный фонарь.
Нижнее опорное кольцо воспринимает распор меридианных ребер и работает на растяжение. Оно может быть железобетонным, деревянным или металлическим в зависимости от уровня опирания купола и вида нижних опорных конструкций (железобетонные фундаменты, металлические или деревянные стойки и т. д.). Концы ребер должны быть заанкерены в опорном кольце, а последнее надежно соединено с нижележащими конструкциями.
Рис.2 Тонкостенный купол-оболочка
а — поперечный разрез и план; б — примыкание к верхнему опорному кольцу; в — детали покрытия; г — примылание к нижнему опорному кольцу; / — дощатые ребра; 2 — нижний слой кольцевого настила; 3—верхний слой кольцевого настила; 4 — косой настил; 5 — кровля; 6 — верхнее опорное кольцо; 7 — нижнее железобетонное опорное кольцо; 8 — фонарь; 9 — металлическая деталь крепления ребер
Кольцевые настилы воспринимают усилия, действующие в кольцевом направлении оболочки. В нижней части купола, где могут возникать растягивающие кольцевые усилия, кольцевой настил выполняют из двух слоев досок. Нижний укладывают непосредственно на меридианные ребра, верхний — перекрывает стыки нижнего, сдвигаясь относительно их на половину длины доски. Оба слоя прибивают гвоздями. Доски не выкружаливают и поэтому между ними образуются зазоры. Вместо досок можно применять склеенные по длине плети брусков. В этом случае настил может быть одинарным, стыки плетей располагаются вразбежку и соединяются гвоздями через меридианное ребро иди смежные бруски. Толщину досок кольцевого настила принимают 19—25 мм. В верхней части купола, где действуют сжимающие кольцевые усилия, настил выполняют из одного слоя досок (брусков) толщиной, равной двойному нижнему кольцевому настилу.
Косой настил воспринимает сдвигающие усилия, которые возникают при несимметричной нагрузке на купол. Он состоит из одного слоя досок толщиной 16—25 мм, укладываемого сверху кольцевого настила от одного меридианного ребра к другому, под углом около 45°, образуя на поверхности купола елочку.
Купола-оболочки могут быть выполнены из крупнопанельных клеефанерных элементов, что значительно снижает трудоемкость возведения покрытия.
Деревянные тонкостенные купола-оболочки собирают с помощью лесов. Особое внимание обращается на приторцовку стыков сжатого кольцевого настила.
Статический расчет куполов-оболочек производят по безмоментной теории, согласно которой для сферической оболочки при действии на нее осесимметричной нагрузки основное уравнение напряженного состояния имеет вид
T1 + T2 = qR,
где T1 — меридиональное усилие на единицу длины кольцевого сечения; T2 — кольцевое усилие на единицу длины дуги меридиана; q — равномерно распределенное нормальное к поверхности купола давление, направленное к центру сферы; R — радиус сферического купола (рис. 3,а).
Рис.3 Нагрузки и усилия в куполе-оболочке
а — расчетная схема; б — эпюры меридиональных и кольцевых усилий от собственного веса купола; в — то же, от снеговой нагрузки; г, е — эпюры ветрового давления на купол в поперечном сечении и в плане; д, ж — симметричная и кососимметричная эпюры ветрового давления на купол
Определение усилий от собственного веса. Постоянная нагрузка от собственного веса g считается равномерно распределенной по всей поверхности купола (рис. 3, а). Для определения меридионального усилия ti рассмотрим равновесие верхней части купола, отсеченной горизонтальной плоскостью, проходящей на расстоянии у от центра сферы (рис. 3, а). На отсеченный сферический сегмент действует нагрузка от собственного веса вышележащей части купола
2pRfg = 2pR (R - R Сosj)×g,
которая уравновешивается проекцией на вертикальную ось меридиональных усилий T1, действующих по периметру кольцевого сечения радиусом r = R Sinj,
Т12pr sinj = Т12pR sin2j,
отсюда меридиональное усилие на единицу длины кольца равно
Для тонкостенного деревянного купола-оболочки при числе меридианных ребер m и расстоянии между ними по длине дуги рассматриваемого горизонтального сечения а усилие в одном ребре в данном горизонтальном сечении определяется:
T1реб = T1а.
Кольцевое усилие Т2 найдем из основного уравнения безмоментной сферической оболочки
откуда кольцевое усилие на единицу длины меридиана
При угле ф = 51°49' кольцевое усилие меняет свой знак, переходя от сжимающего к растягивающему.
Усилия Т1 и Т2, справедливы для сплошного замкнутого купола. Если в куполе имеется фонарное отверстие и масса фонаря более чем в 1,5 раза отличается от массы вырезанной части купола, то необходимо учесть нагрузку Рк (рис. 3, а), линейно распределенную по краю сечения фонарного выреза
T1 = - Pк(Sinj1/ Sin2j);
T1 = Pк(Sinj1/ Sin2j).
Растягивающие усилия в опорном кольце от собственного веса купола можно определить по формуле
Nк = Qjo/2p×tgj0.
где Qjo - масса купола.
Qjo = 2pR2g(1 - Cosj0).
Для случая кольцевой нагрузки по фонарному вырезу
Nк = PкR×Sinj1×ctgj0.
Определение усилий от снеговой нагрузки. Интенсивность снеговой нагрузки по поверхности купола обычно принимают по закону косинуса Р = Р0Cоsj, где Р0 — равномерно распределенная нагрузка по проекции поверхности на горизонтальную плоскость.
Меридиональное усилие на единицу длины кольца в любом сечении имеет постоянное значение
Усилие на одно меридианное ребро составит
Кольцевое усилие на единицу длины меридиана определится с учетом нормальной составляющей нагрузки в уровне кольцевого сечения q = P0Cos2j
Кольцевое усилие меняет знак при j = 45°. Усилие растяжения в опорном кольце
Nк = (P0R2/4)Sin2j0.
При действии на купол несимметричной нагрузки в оболочке кроме меридиональных и кольцевых усилий возникают сдвигающие усилия S. Расчет сферического купола на одностороннюю снеговую нагрузку, исходя из нормальной к поверхности купола нагрузки
P = 0,4P0(1 + Sinj×Siny),
где P0 — нагрузка на единицу площади горизонтальной поверхности; y - угол широты в плане нижнего круга сферического купола, отсчитываемый от диаметра, перпендикулярного направлению ветра, при котором получается одностороннее загружение (рис. 3, е).
Определение усилий от ветровой нагрузки производят приближенно заменой действительной эпюры ветрового давления (рис. 3, г) суммой двух эпюр — симметричной (рис. 3, д) , где - расчетная нагрузка от давления ветра на вертикальную плоскость на уровне основания купола, и кососимметричной (рис. 3, ж) .
Усилия от симметричной эпюры:
Усилия от кососимметричной эпюры ветрового давления:
Купольные покрытия обладают хорошей обтекаемостью. Поэтому при f/l £ 1/4 достаточно учесть только симметричный отсос. Для купола с f/l >1/4 следует принимать во внимание и кососимметричную ветровую нагрузку.
Усилие сжатия в кольце
Проверка кольца на устойчивость
где Fк, Eк, Jк, гк - площадь поперечного сечения, модуль упругости материала, момент инерции и радиус кривизны кольца относительно вертикальной оси.
Критическое напряжение потери устойчивости сферической оболочки проверяют по формуле
где d - толщина оболочки; E, m - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала (древесины, пластмасс, фанеры); Ssc - суммарное сжимающее напряжение от всех видов загружения; R - радиус кривизны сферической оболочки.
Сдвигающие усилия в сферическом куполе при кососимметричной ветровой нагрузке
Структурные конструкции. Принципы конструктивного выполнения и расчета
Структурные конструкции
Дальнейшим развитием плоских сплошных и сквозных конструкций в современном строительстве являются конструктивные схемы из перекрестных балок, ферм, объемных пластинчатых и стержневых элементов. К таким системам относятся пространственные плиты и оболочки, состоящие из регулярно-стержневых или регулярно-пластинчатых образований, носящие общее название структурные конструкции или просто структуры.
Количество пересекающихся в одном узле балок или ферм, а также их отклонение от вертикали дают самые разнообразные структурные построения. Структуры, образованные из перекрестных линейных элементов, идущих в трех направлениях, способны работать на кручение и поэтому являются более жесткими, по сравнению со структурами, образованными из двух линейных пересекающихся элементов.
К положительным качествам структур относятся: унификация конструктивных элементов, принципиальная простота их монтажа, большая пространственная жесткость конструкций, способствующая увеличению пролета покрытия, архитектурная выразительность решения, многосвязность системы, повышающая степень надежности конструкции при локальных разрушениях, частота узлов сетки, позволяющая закрепить подвесной транспорт и оборудование, простота транспортировки, снижение конструктивной высоты и др.
Рис.1 Структуры из деревянных перекрещивающихся балок и фанерных элементов'в форме тетраэдров
а — схемы структур из перекрещивающихся балок; б — узловые соединения балок; в — структура из регулярно-пластинчатых фанерных элементов
К недостаткам структурных систем относится повышенная трудоемкость изготовления и сборки.
Самыми простыми по конструктивной схеме являются структуры из пересекающихся в двух или трех направлениях клееных или клеефаиерных сплошных балочных элементов. Угол между балками в плане может составлять 90, 60 или 45°. При жестком соединении балок в узлах получается пространственная статически неопределимая система. В зависимости от разм. покрытия и вида кровельного ограждения размер ячейки структуры изменяется от 2,4 до 7,2 м.
Пролет структурных плит колеблется в пределах 12-28 м. Высота балочных элементов структуры составляет 1/16—1/30 пролета. Общая устойчивость системы может обеспечиваться настилом или второстепенными балками. Расчет структуры, как многократно статически неопределимой системы, производят на ЭВМ. Для некоторых структурных схем можно воспользоваться табл. 1. Наиболее распространенным решением узловых соединений являются соединения на нагелях с помощью металлических планок.
Балочные элементы могут быть одиночными или спаренными. На рис. 1, а, б приведены некоторые схемы структур из перекрещивающихся балок и их узловые соединения. Примером структуры из регулярно-пластинчатых элементов может служить покрытие, которое было представлено на строительной выставке в Лондоне. В этой конструкции (рис. 1, е) раскосы заменены объемными элементами в форме тетраэдра, каждый из которых собран из четырех треугольных листов фанеры, соединенных брусками. Одно из ребер тетраэдра входит в паз элемента нижней решетки, другое — в паз элемента верхней решетки, перпендикулярного нижнему. Объемные связи между поясами структуры обладают более высокой жесткостью, чем линейные раскосы.
Нагрузки и изгибающие моменты в перекрестных балках при квадратных в плане перекрытиях (g – нагрузка на 1 м2)
Таблица 1
В последнее время разработано много вариантов ме-таллодеревянных конструкций, в которых растягивающие усилия воспринимаются металлическими стержнями, а сжатые и внецентренно сжатые стержни выполнены из древесины. Примером такой комбинированной конструкции может быть структурное покрытие размером в плане 18x18 м, разработанное в ЦНИИСК им. В. А.Кучеренко, для применения в труднодоступных районах в период их освоения. Высота структуры 1,7 м. Растянутые нисходящие раскосы и стержни нижнего пояса выполнены из уголков 50х5 мм. Стойки деревянные 130X130 мм, установлены с шагом 3 м. Верхний пояс образуют сборные клеефанерные плиты размером 3X3 м. Узловые соединения решены с помощью металлических оголовников заводского изготовления, закрепленных на деревянных стойках. Масса покрытия с утеплителем 45 кг/м2, расход стали 10 кг/м2, трудозатраты 1,72 чел.-ч/м2, расход древесины 0,03 м3/м2, фанеры — 0,016 м3/м2.
В пластмассовых структурах, как в плоских (плитах), так и в криволинейных (сводах) используют объемные светопрозрачные или светонепроницаемые пирамидальные или гиперболические элементы, соединенные в вершинах металлическими профилями. Размер основания пирамид 1,2—1,8 м, высота 0,5—0,6 м, толщина стенок около 3 мм. Нижний пояс структуры образуется ребрами пирамиды, верхний — металлическими профилями.
Размер по диагонали гиперболических элементов структуры в форме ромба достигает 7 м. Такие гиперболические элементы из стеклопластика толщиной 5 мм, соединенные в углах металлическими профилями, образуют пояса структуры покрытия рынка пролетом 21 м в г. Лезу (Франция).
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.
|
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.
|
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
|
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.
|
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 оболочкой по 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.
Расчет оболочек воздухоопорных конструкций
Для расчета пневматической конструкции на ветровое воздействие необходимо выявить картину обтекания оболочки потоком воздуха, выраженную в эпюре распределения ветрового давления по ее поверхности. Пока еще это не удалось сделать с достаточной точностью.
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 ф значений скоростного напора воздушного потока g и избыточного давления Р, при котором на поверхности воздухоопорной оболочки появляются «ветровые ложки» и она входит в неблагоприятный режим колебаний («бафтинг») 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.
Рис. IX.5L Расчет пневматических конструкций
а—распределение внутреннего давления; б—распределение ветрового давления; в — распределение снеговом нагрузки; г — усилия в пневматической оболочке
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 (по статистическим данным за последние 10 лет). Так, например, в зоне умеренных широт европейской части СССР она составляет Р = 220 Па. Считается возможным принять распределение снеговой нагрузки на оболочке по закону P(φ)=Pcosφ) или даже Р(φ)=Рсоэ2φ (рис. IX.51, в), где φ — угол
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.
Пневмокаркасные (воздухонапорные) конструкции. Принципы конструктивного выполнения и расчета.
Пневмокаркасные конструкции (рис. 9.6) 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