16.1. Воздухоопорные сооружения

Р=250Па (150-500).

История конструкции:

1917г— У. Ладчестер — запатентовал идею использования воздушных баллонов для перекрытия помещений. (для полевых госпиталей).

1938г— У. Ладчестер— разработал купол d=330м над прямоуг. в плане зданием.

1941г.— амер. Стивенс разработал купол d=336м из стали t=1,27мм

1946г.— амер. Бэрд купола для радарных систем.

1956г.— идея рассекречена, организована фирма.

1957г— было 50 фирм по этим конструкциям

СССР 1959г — купол d=36м

1960г. — d=61м

Сейчас больше 100 тыс. сооружений в мире этого типа.

Состав сооружения.

1. Мягкая оболочка.

2. шлюз.

3. воздухопадающее устройство (это кондиционер, механизм для повышенного давления, для больших объемов очень дорогое устройство)

4. система прикрепления к земле.

5. освещение

В примыкании шлюза и оболочки приходит многогранный прогиб материала и он быстро разрушается.

Конструкция крепления.

Геометрические формы.

1. простые формы

2. из простых форм делают сложные

полицилиндрическая оболочка

арки переменных размеров

Наибольшие размеры купола и свода когда не требуется усиление канатами

Купол ≈ 72м, свод ≈ 60м

Купол.

R — радиус нижнего сечения.

Сила отрыва по кольцу.

N_удер^{по кольцу}=2π*R*t_м σ_мат-ла

N_отр=N_удер

π*R²*Р_изг=2π*R*t_м σ_мат-ла

σ_м=

Свод.

N_отр не по кольцу, а по ширине радиуса

N_отр= R*Р_изг

N_удерж=1м t_м σ_мат-ла

σ_м=

Σу=0

Для купола σ_м^куп в 2 раза меньше чем σ_м^свода. Поэтому купола можно делать в 2 раза больше.

Уникальные сооружения — усиливают канатами.

Пролет b=78м, l=133м

Осако Япония —1970г., Америка.

Купола.

В Германии (руководитель Отто) разработан купол для Антарктиды с искусственным микроклиматом. Избыточное давление Р_и=250Па.

16.2. Пневмокаркасные конструкции.

Они состоят из отдельных пневмоэлементов (рис. 1), 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 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 – 6 м для балок и до 15 м для арок.

Расчет пневмоэлементов 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:

Ϭ=Пr/2≤R_p

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

Ϭ=РПr/2≤R_p

В предельном 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:

М≤РП²r³/4

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:

М≤РПr/2

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 формула, что и пневмобалку, без учета продольных сил N, которые уменьшают растягивающие напряжения в оболочке и увеличивают предельные внутренние моменты.

16.3. Примеры решения сооружений.

Пневматические строительные конструкции, мягкие оболочки, во внутренний замкнутый объём которых воздухонагнетательными установками (вентиляторами, воздуходувками, компрессорами) подаётся атмосферный воздух, чем достигается их устойчивость и противодействие внешним нагрузкам (несущая способность). Впервые Пневматические строительные конструкции были применены в 1946 при сооружении обтекателя радиолокационной антенны (инженер У. Бэрд, США). В последующие годы Пневматические строительные конструкции получили распространение во многих странах.

Оболочки Пневматические строительные конструкции изготовляют из технических тканей с покрытиями из полимеров (в т. ч. каучуков) или армированных плёнок. Силовой основой плёнок и тканей служат нити из синтетического, реже стеклянного волокна.

Различают 2 основных типа Пневматические строительные конструкции (рис.): воздухоопорные, в которых слабо сжатый (избыточное давление 0,1—1 кн/м2) воздух подаётся непосредственно под оболочку сооружения, и воздухонесомые, где сильно сжатый (избыточное давление 30—700 кн/м2) воздух наполняет только несущие элементы Пневматические строительные конструкции При установке воздухоопорных Пневматические строительные конструкции оболочка в месте примыкания к основанию плотно закрепляется по периметру сооружения. Для входа в сооружения (и выхода из них) устраивают шлюзы. Воздухонесомые Пневматические строительные конструкции подразделяют на пневмостержневые и пневмопанельные. Применяют также комбинированные оболочки — воздухоопорные с поддерживающими конструкциями, а также усиленные канатами, сетками, оттяжками и диафрагмами.

Достоинства Пневматические строительные конструкции: малая масса, возможность перекрытия больших пролётов без внутренних опор, полная заводская готовность, быстрота монтажа, транспортабельность, свето- и радиопрозрачность, низкая стоимость. Недостатки: необходимость постоянного поддержания избыточного давления воздуха в оболочке, сравнительная недолговечность, низкие огнестойкость и звукоизолирующая способность.

Применение Пневматические строительные конструкции рационально для возведения постоянных и временных сооружений различного назначения (производственные и складские помещения, зрелищные, спортивные, торговые, выставочные и др. сооружения), мобильных зданий (станции технического обслуживания, медпункты, клубы, библиотеки), транспортных и гидротехнических сооружений (мосты, плотины, затворы), вспомогательных устройств для производства строительных работ (подъёмники, тепляки, опалубка и т.п.).

Пневматические сооружения. Пневмопанельное.

Пневматические сооружения. Пневмоарочное.

Пневматические сооружения. Воздухоопорное.

Пневматические сооружения. Воздухоопорное с усиливающими канатами (тросами).