Основные формы, принципы работы под нагрузкой и расчет­ные схемы, пространственных конструкций из дерева и пластмасс

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 М_а, 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 М_а — 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 К_ф, в зависимости от отношения B/S_Д, где В — расстояние между жест­кими фронтонами; S_Д — 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 £ L_c/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.

Рис. 2 Схематический план и разрез сетчатого сомкнутого сво­да со стандартными косяками

 

Рис. 3 Проект перекрытия стадиона диаметром 257 м, разрабо­танного для четырех городов СШАа — схема купола; б — сечение гурта

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 = (S_j/2Sinj)×g,

где S_j — 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/F_нт £ R_см90,

где F_нт - 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 h_K не должна быть меньше l/150L_c.

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 а_n между осями смежных гуртов на уровне, соответствующем положению продольной оси расчетной полосы.

Длину а_n определяют по формуле

a_n = 2R_cSinj×tga₁,

где j — центральный угол, соответствующий положению осевой линии a_n; a₁ - половина центрального угла сектора в плане.

Положение расчетной полосы устанавливают подбором. Напряжение в косяках с учетом продольного изгиба проверяют по формуле

где j_пр - коэффициент продольного изгиба.

Приведенная гибкость расчетной полосы а_n

l = 3,5a_n/h_к.

Рис.4 Расчетная схема одного сектора сетчатого сомкнутого свода

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 N_n по аналогии с кружально-сетчатыми сводами. В растянутой зоне прикрепление кольце­вого настила к гуртам проверяют на суммарное усилие N_n 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).

N_р = 0,5T₁×Cosj₀×B×ctga₁.

Верхнее сжатое кольцо при многоугольном плане рассчитывают на сжатие усилием, определяемым по формуле

N_р = 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

N_б = 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:

T_1реб = 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 Р_к (рис. 3, а), линейно распределенную по краю сечения фонарного выреза

T₁ = - P_к(Sinj₁/ Sin²j);

T₁ = P_к(Sinj₁/ Sin²j).

Растягивающие усилия в опорном кольце от собст­венного веса купола можно определить по формуле

N_к = Q_jo/2p×tgj₀.

где Q_jo - масса купола.

Q_jo = 2pR²g(1 - Cosj₀).

Для случая кольцевой нагрузки по фонарному вырезу

N_к = P_кR×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

N_к = (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 F_к, E_к, J_к, г_к - 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); Ss_c - 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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