Воздухоопорные конструкции

Пневматические строительные конструкции покрытий по характеру работы очень близки к пространственным висячим и тентовым мембранам. Оболочки этих конст­рукций, изготовленные из тканых материалов, способны стабилизировать свою форму только при наличии пред­варительного напряжения. В отличие от тентовых мем­бран, где предварительное напряжение создается меха­ническим путем, пневматические конструкции реализуют предварительное напряжение вследствие разности давле­ния (избыточного или вакуума) в подоболочечном и ок­ружающем конструкцию пространстве.

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. Пневмокаркасные конструкции — это надувные стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воз­духа в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом эко­номической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Основным достоинством пневмокаркасных конструк­ций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования.

Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении незначительной разницей давления в разделяемых обо­лочкой пространствах. Это конструкции, которые опира­ются на воздух. Для противодействия внешним нагруз­кам давление воздуха под оболочкой по сравнению с ат­мосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Такое незначительное избыточное давление не осложняет требований к герметичности и к самочувствию находящихся под оболочкой людей.

Воздухоопорные сооружения получили в строительстве большце распространение. Покрытия этого типа отлича­ются простотой конструкции, безопасностью и надеж­ностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты.

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 воздухоопорных оболочек: сферические купола диаметром 12, 24, 36, 42, 60 м; цилиндрические оболочки пролетом 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60 м; длина цилиндрических оболо­чек в зависимости от пролета изменяется от 24 до 90 м, высота от 6 до 20 м.

Любая классификация таких конструкций условна. Поэтому двухслойные покрытия, называемые пневмолинзами (на круглом, овальном или многоугольном плане) и пневмоподушками (на прямоугольном плане), занима­ют промежуточное положение между первой и второй группами. По принципу статической работы их следует относить к воздухоопорным конструкциям, хотя по от­сутствию избыточного давления в эксплуатируемом про­странстве они близки к воздухонесомым. v Другие виды конструкций, такие, как пневмооболочка на жестком каркасе или пневмооболочка, поддержи­ваемая вантами и т. п., принципиально по характеру ра­боты не отличаются от рассмотренных и благодаря До­полнительным устройствам являются модификацией внутри группы.

Основными частями воздухоопорной пневматической конструкции являются собственно оболочка, шлюз, кон­турные элементы с анкерными устройствами, воздуходув­ные и отопительные установки. Основу несущей конст­рукции шлюза обычно составляет жесткий каркас из металла, дерева, пластмассы, по которому закрепляют гер­метизирующую оболочку покрытия. Размеры шлюза за­висят от назначения сооружения и колеблются от 1Х2Х Х2 м для запасных входов до размеров, обеспечиваю­щих шлюзование реактивных самолетов.

Очень 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.,1Х.50,б).

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

Для расчета пневматической конструкции на ветровое воздействие необходимо выявить картину обтекания оболочки поток воздуха, выраженную в эпюре распределения ветрового давления. Принято считать расчетную интенсивность снеговой нагрузки, равную суточному максимуму выпадения снега в данном районе. Расчетное сопротивление ткани без учета старения материала в условиях эксплуатации: . Пневматические оболочки являются кинематически подвижными и геометрически изменяемыми системами. Перемещение оболочки может быть следствием двух причин: 1) упругого или пластического удлинения материала (деформации) и 2) изменения геометрии оболочки при приложении нагрузок – кинематического перемещения, которое в значительной степени обусловливает интенсивность и характер ветровой и снеговой нагрузок.

Для нахождения максимальных значений растягивающих усилий в воздухоопорных оболочках при действие невыгоднейшей комбинации расчетных нагрузок для рядовых оболочек сферической или цилиндрической формы небольших пролетов:

. Где - меридиональные и кольцевые усилия, Р – избыточное давление воздуха под оболочкой, q – скоростной напор ветра; - коэффициенты, значения которых установлены методами элементарно или какой-либо другой уточненной теории.