17.6. Пневматические строительные конструкции
Строительные конструкции, несущая способность которых обеспечивается избыточным давлением воздуха, называют пневматическими. Принцип устройства пневматических конструкций заключается в предварительном напряжении герметически мягкой оболочки с целью придания ей проектной формы, устойчивости и несущей способности.
В строительной практике пневматические конструкции появились в 1946 г. и быстро нашли широкое применение. В процессе проектирования и эксплуатации определились следующие области при-менения: склады зерна, овощей, минеральных удобрений (сельско-хозяйственное строительство), производство строительных материалов, оборудования, сырья и т. п.; укрытия стоянок автотранспорта, мастерские, участки производства строительно-монтажных работ, площадки буровых работ; цеха консервирования овощей и фруктов, механосборочные; спортивные сооружения для тренировок и занятий спортом, временные (передвижные) выставочные павильоны, цирки и т.п.
Пневматические конструкции отличаются предельной легкостью и компактностью в сложенном виде, высокой сборностью и транспортабельностью. Они возводятся в кратчайшие сроки, измеряемые часами, без тяжелых вспомогательных приспособлений. Такие конструкции обладают высокой сейсмостойкостью, а их основания можно возводить на слабых грунтах. Ими перекрывают помещения больших объемов и площадей. Материал оболочки обладает высокой удельной прочностью и работает только на растяжение.
К недостаткам пневматических конструкций можно отнести необходимость постоянного поддержания избыточного давления воздуха под оболочкой и сравнительной небольшой срок службы (8 — 10 лет).
Основными конструкционными материалами для пневматических конструкций являются ткани и пленки, имеющие воздухо- и влагонепроницаемость, эластичность, легкость, прочность и долговечность. Основой тканевых материалов служит технический текстиль (лавсан, капрон, нейлон), пропитанный синтетическими смолами, каучуком или поливинилхлоридными смолами. Пропитка ткани наносится или с одной стороны, или с двух сторон для получения многослойного материала лучшего качества. Пропитанные ткани применяют в конструкциях длительного использования. Синтетические полиэтиленовые, полиамидные и полиэфирные пленки, армированные капроном, лавсаном, стекловолокном (для повышения прочности и снижения деформативности) применяются для конструкций временного назначения.
Сопротивление растяжению и модуль упругости тканей по основе и утку составляют: Rp=(0,3/0,5 – 5,5/2,5) МПа; Е=(9/4 – 21/7) МПа.
Соединение элементов пневматических конструкций осуществляют швами четырех видов: клеевыми, клеепрошивными, прошивными и сварными.
В зависимости от способа поддержания надувного сооружения в проектном положении пневматические строительные конструкции делятся на воздухоопорные, пневмокаркасные, комбинированные, вантопневматические и линзообразные (табл. 17.1).
Воздухоопорные конструкции являются основным, наиболее распространенным видом пневмоконструкций. Выполняют их цилиндрической или сферической формы. Оболочки работают совместно с воздухом помещения, находящимся под давлением Рq=0,001– 0,01 МПа. Основными конструктивными элементами воздухоопорного сооружения являются: собственно оболочка, тамбур-шлюз, опорный контур, анкеры и воздуходувная установка. Наиболее распространены однослойные оболочки, но могут выполняться и многослойные, работающие по принципу послойного увеличения давления, а также с подвесным пленочным утеплителем.
В соответствии с Временной инструкцией по проектированию, монтажу и эксплуатации воздухоопорных пневматических сооружений (СН 497-77) разработаны рабочие чертежи цилиндрических оболочек пролетом 12, 18 и 24 м и сферических оболочек диаметром 12, 24, 36, 42 и 60 м.
Таблица 17.1. Основные виды пневматических конструкций
Кроме этих основных типов могут применяться и другие различные по форме воздухоопорные оболочки: седловидная из двух сфер, цилиндрическая разной высоты, а также вантопневматические с разгружающими кантами — многосекционные (цилиндрическая, сферическая, в форме тора).
Вантопневматические оболочки имеют большие пролеты. Канты позволяют расчленить оболочку на ряд частей с меньшими радиусами, тем самым снизить напряжение в материале и улучшить внешний вид сооружения. Оболочку создают из полос ткани, выкроенных в соответствии с формой ее поверхности.
Воздухоопорные конструкции крепят к основанию с помощью лотков или труб, расположенных по периметру оболочки и заполняемых песком или водой . Опорный контур покрытий более длительного назначения выполняют в виде ленточного фундамента, а в нижней части оболочки крепят силовые пояса для равномерной передачи растягивающих усилий на анкерные устройства (рис. 17.10).
Рис.17.10. Анкерные устройства пневматических конструкций с креплением: а) – канатом; б) – рукавов, заполненных водой, и земляных анкеров
Крепление оболочек к фундаменту необходимо для сопротивления подъемной силе от избыточного давления, ветра и создания герметизации опорного контура.
Для создания внутреннего избыточного давления воздухоопорную конструкцию снабжают воздуходувной установкой, состоящей из двух вентиляторов низкого давления с моторами. Мощность каждого вентилятора подбирают по расчету в зависимости от скорости подъема оболочки и потерь воздуха в процессе эксплуатации.
Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов: пневмобалок, пневмостоек, пневмопанелей, а чаще всего пневмоарок и наружной ограждающей оболочки из ткани или пленки. Пневмоэлементы представляют собой герметически замкнутые баллоны чаще всего круглого сечения диаметром 20 – 60 см прямолинейной или изогнутой формы (рис. 17.11). Оболочку баллона выполняют из высокопрочной ткани и внутренней резиновой камеры. Избыточное давление в пневмокаркасе составляет 0,5 – 3 МПа, которое вполне обеспечивает проектное положение сооружения и повышенную несущую способность.
Торцы силовой оболочки заканчиваются металлическими или пластмассовыми башмаками, через которые пневмоэлементы опираются на нижележащие конструкции (рис. 17.12).
Рис. 17.11. Пневмокаркасные конструкции:
а) – пневмоэлементы; б) – расчетные схемы; 1 – пневмобалка;
2 – пневмостойка; 3 – пневмоарка
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. Примером пневмокаркасной конструкции может служить свод с несущим каркасом из пневмоарок и пневмопрогонов, а также пневмокаркасное многоэтажное сооружение.
Линзообразные пневматические покрытия представляют собой двойные пологие оболочки, опирающиеся на жесткий контур, имеющие в плане различное очертание (см. табл. 17.1).
При проектировании пневмоконструкций решают следующие задачи: находят оптимальную форму оболочки; определяют требуемое избыточное давление; выполняют статический расчет конструкций; проверяют прочность материала оболочки; рассчитывают и конструируют анкерные устройства, опорные и другие узлы соединения. Одна из основных и наиболее трудных задач проектирования пневматических конструкций — выбор оптимальных размеров и очертания полотнищ для получения проектной формы оболочек при заданных габаритах. Главным здесь является раскрой полотнищ, который должен удовлетворять следующим требованиям:
1) длина швов должна быть минимальной;
2) размеры выкроек должны соответствовать ширине
выпускаемых промышленностью тканей и пленок;
3) отходы при раскрое должны быть минимальными (5 –7%),
так как стоимость материала достигает 75% от общей стоимости сооружения;
4) форма оболочки должна приближаться к теоретической.
Рис. 17.12. Пневмокаркасная конструкция:
а – план; б – разрез; в – опорный узел; 1 – пневмоарка; 2 – ткань или пленка покрытия; 3 – хомуты для крепления связей; 4 – гибкие связи; 5 – анкер растяжек; 6 – торцовые растяжки; 7 – анкер крепления ткани покрытия; 8 – оттяжка; 9 – стальной стакан; 10 – хомуты; 11 – штуцер; 12 – опорная плита
Наиболее рациональной является цилиндрическая оболочка,прямо-угольная в плане, но она имеет большое число (длину) швов (п.1) и большой процент отходов (п.3).
Решение проблемы удовлетворения всех требований обеспечивается проектированием оболочек, составленных из конических отсеков на квадратном плане разной высоты, а также из составных лепестков при стыковании полотнищ по ширине.