Пневматитичесекие пространственные конструкции, их виды, достоинства и недостатки

Пневматические конструкции, называемые иногда надувными, -представляют собой оболочки из воздухонепроницаемых тканей или 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 они могут служить элементами каркаса покрытий пролетом до 15 м. Возмож­ны также комбинации этих видов конструкций. Пневматические конструкции, основным материалом которых являются ткани или пленки, характеризуются предельно малой объемной массой до 2 кг/м², транспортабельностью, поскольку могут быть сложены в небольшие тюки (плотные пакеты), и возмож­ностью их быстрого возведения, поскольку для их подъема в про­ектные положения они должны быть только прикреплены к опорам и наполнены воздухом. Эти конструкции имеют широкую об­ласть рационального применения в качестве легких сборно-разбор­ных покрытий временного (сроком до 10 лет) использования раз­личного назначения (складов, мастерских, зрелищных, спортивных и жилых помещений и др.). На строительных площадках они мо­гут быть применены в качестве временных укрытий и опалубки, в сельском хозяйстве — в качестве покрытий теплиц. Могут приме­няться отдельные небольшие пневматические стойки, балки, мачты и плотины. Основным материалом при изготовлении пневматических кон­струкций являются воздухонепроницаемые ткани, состоящие из синтетических текстилей и эластичных покрытий на основе стойких против старения резин, полихлорвинила или других смол, основные характеристики которых приведены в гл. 3. Основными соединения­ми элементов пневматических конструкций являются шитые нит­ками, клеевые, сварные и клеешитые. Пневматические конструкции бывают воздухоопорными, пневмокаркасными и комбинированными. Воздухоопорные конструкции являются основным, наиболее рас­пространенным видом пневматических конструкций. Они отличают­ся простотой и возможностью перекрывания значительных до 60 м пролетов. Воздухоопорная конструкция состоит из оболочки, сжа-_ч того воздуха, опорного контура, входного шлюза и воздуходувной 'установки (рис. 16.8). Оболочка образуется одним слоем ткани и может иметь сферическую форму в виде купола или усеченного снизу шара или цилиндрическую в виде свода с цилиндрическими, сферическими тканевыми или плоскими жесткими торцами. Обо­лочка соединяется из полос ткани, выкроенных в соответствии с формой ее поверхности. Края оболочки крепятся к опорному кон­туру и шлюзу. Сжатый воздух, наполняющий оболочку, должен находиться под постоянным избыточным давлением небольшой величины. Ин­тенсивность давления устанавливается из условия, чтобы она была не ниже массы снега и давления ветра, при котором сохраняется ее положительная кривизна. Меньшее давление принимается в том случае, если в оболочке допускаются кратковременные местные вмятины «ложки». Практически давление принимается равным 200—500 Па (20—50 кгс/м²). Опорный контур покрытий более длительного назначения вы­полняется в виде ленточного бетонного фундамента, а в покрытиях краткосрочного использования — в виде анкеров, винтовых свай или карманов, запыленных песком. В состав опорной конструкции входит пол помещения, испытывающий давление воздуха. Входной шлюз в большинстве случаев имеет жесткую каркасную конструк­цию с тканевым покрытием.

Рис. 16.8. Воздухоопорные конструкции:

я — виды; б — расчетные схемы; / — сферическая; // — цилиндрическая со сферическими торцами; /// — цилиндрическая с такими же торцами; / — входной шлюз; 2 — оболочка;

3 — воздуходувная установка

Воздуходувная установка состоит из двух вентиляторов низкого давления с моторами. -Она размещается внутри или вне оболочки. Такая установка автоматически,поддерживает необходимое избы­точное внутреннее давление воздуха в помещении. Расчет воздухоопорных конструкций производят, как гибких предварительно напряженных оболочек на жестком опорном кон­туре, с учетом того, что ткань или пленка может воспринимать только растягивающие напряжения. При расчете шитых соединений оболочки учитывают ее 15%-ное ослабление. Опорный контур рассчитывают на растяжение и вы­дергивание из грунта усилиями, определяемыми по формулам, при­веденным выше.

Пневмокаркасные конструкции (рис. 16.9) 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 до 6 м 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 г и длина или пролет I. Пневмо стойку рассчитывают по прочности прямолинейных и кольцевых сечений на растяжение от внутреннего давления Р_Изв По устойчивости ее проверяют на действие продольной сжима­ющей силы N с учетом эмпирического коэффициента устойчивости, зависящего от отношения длины к радиусу, по формуле

Рис. 16.9. Пневмокаркасные конструкции:

а — виды конструкций; б — расчетные схемы; / — пневмобалка; 2 — пневмо-стойка; 3 — пневноарка; / — схема работы пневмостойки; // — схема работы пневмобалки по складкостойкости; ///— схема работы пневмобалки по устой­чивости

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.

50. трехшарнирные рамы, проектирование, схема расчета, расчет узлов. Рамы являются одним из наиболее распространенных типов несущих деревянных конструкций. Они хорошо вписываются в по­перечное сечение большинства производственных и общественных зданий: наличие стоек позволяет устраивать вертикальное стено­вое ограждение, а требуемый уклон плоского покрытия может быть получен соответствующим углом примыкания ригеля к стой­ке. Главной особенностью рам при двух- и трехшарнирной схеме и шарнирных опорах является развитие в карнизном узле (в месте примыкания ригеля к стойке) значительных изгибающих моментов, для воспринятая которых требуются специальные узловые соеди­нения.

Деревянные рамы применяют обычно однопролетными при про­летах 12—30 м (в мировой практике до 60 м), и их можно класси­фицировать по нескольким признакам.

По статической схеме рамы могут быть статически определи­мыми и статически неопределимыми. К статически определимым относят трехшарнирные рамы (рис. 14.1, а). К числу статически не­определимых относятся двухшарнирные рамы, рамы с жестко (рис. 14.1, б) или шарнирно (рис. 14.1, в) закрепленными стойками. Наиболее распространенной для цельнодеревянных рам является трехшарнирная схема. В рамах с жестко заделанными или шар­нирно опертыми стойками роль ригеля выполняют балки, фермы или арки с затяжкой. Стойки таких рам могут быть либо деревян­ными решетчатыми или сплошными (см. гл. 12).

Конструктивные особенности рам разнообразны и связаны с методом их изготовления.

Рамы заводского изготовления — это,, рамы доща-токлееные и клеефанерные. Дощатоклееные трехшарнирные рамы:из элементов прямоугольного сечения являются основным типом рамы, получившим в последние годы наибольшее распространение. Они различаются прежде всего вариантами карнизного узла.

Рис. 14.2. Конструкции трехшарнирных клееных рам:

а — гнутая дощатоклееная; б — дощатоклееная из Г-образных полурам; в — клеефа. нерная; г — дощатоклееная с угловыми подкосами; д — е — то же, с опорными подко­сами; / — Дощатоклееные элементы; 2 — расчетные оси; 3 — зубчатый стык; 4 — фа­нерная стевка; 5 — Дощатоклееные пояса; 6 — стальная накладка; 7 —ригель; 8 —под­косы; 9 — стойки

Карнизный узел может быть выполнен путем изгиба досок (рис. 14.2, а), путем устройства зубчатого стыка (рис. 14.2, б). Стойка и ригель рам с зубчатым стыком в карнизном узле могут быть изготовлены из прямоугольных клееных блоков, рас­пиленных по диагонали. Рамы с монолитным карнизным узлом позволяют свести число отправочных единиц к миминуму (двум полурамам) и исключают процесс сборки карнизного узла в построечных условиях. Вместе с тем эти варианты имеют и не­достатки: трудность транспортирования элементов Г-сбразно.го очертания, размеры которых выходят порой за габарит транспорт­ных требований, и пониженное по сравнению с прямолинейной клееной древесиной расчетное сопротивление гнутых элементов и зубчатого стыка. Поскольку коэффициент т_гн, учитывающий сни­жение расчетного сопротивления в карнизном узле, зависит от от­ношения радиуса изгиба к толщине изгибаемой доски, для гнутых

рам целесообразно применять доски небольшой толщины (25мм). Это позволяет уменьшить потери прочности, вызванные гнутьем досок, но влечет за собой увеличение числа слоев, а следователь­но, и трудоемкости изготовления рамы.

Другой вариант карнизного узла с подкосом (рис. 14.2, г, д_> е) в карнизном или опорном узле. Такие рамы выгодны тем, что их собирают из прямолинейных элементов, и в них за счет конст­рукции карнизного узла уменьшается (по сравнению с бесподкос-ным узлом) изгибающий момент в ригеле. Эти рамы имеют боль­шее число узлов и монтажных элементов, а некоторым монтажным элементам (например, ригелю) приходится придавать сложное очертание.

Клеефанерные рамы с жестким карнизным узлом (рис. 14.2, в) легче соответствующих дощатоклееных рам, но сложнее в изготов­лении и обладают меньшим пределом огнестойкости.

Рамы с жестко заделанными стойками позволяют вести раз­дельно монтаж стоек и ригелей. Шарнирно опертые стойки имеют более простой опорный узел.

Рамы заводского изготовления на строительной площадке про­ходят только сборку. Необходимые для рам стальные детали из­готовляют тоже на заводе, и они поступают на сборку в комплек­те с деревянными клееными элементами.

Рамы построечного изготовления из досок и брусьев собирают непосредствен­но на строительной площадке. В этих рамах используются преимущественно по­датливые виды соединений: болты, штыри, гвозди, упоры. Такие рамы отлича­ются большим числом узлов и требуют больших затрат труда при изготовлении. Они нуждаются в высококачественных лесоматериалах, в особенности для р-астя-нутых элементов.

Ригель и стойки таких рам могут иметь сплошное сечение (рис. 14.3, а) или выполнены в виде решетчатых систем (рис. 14.3, е). В одной раме могут также сочетаться решетчатые стойки с ригелем сплошного сечения (рис. 14.3, б) или ре­шетчатый ригель со стойками сплошного сечения.

Рис. 14.3. Конструкции рам из цельных элементов:

а — сплошная с опорными подкосами; б — с решетчатыми стойками; в — решетчатая; _г — трапециевидно-подносная система; д — ригельно-подкосная система; / — стоика; г ригель; 3 — подкос; 4 — стержни решетки;

К рамам построечного изготовления относятся и подкосные системы, приме-яемые* в качестве несущих конструкций эстакад, лесов, складов, пакгаузов. Под-осные системы (рис. 14.3, г, д) состоят из бревенчатых (или брусчатых) стоек, прогонов (ригелей) и подкосов. Они могут быть трапециевидно-подкосными и пигельно-подкосными. В качестве несущих конструкций зданий наибольшее при­менение находят более простые трапециевидно-подносные системы. Сжатые эле­менты в этих системах соединяются с помощью упоров и лобовых врубок. Прогоны между собой стыкуются косым прирубом. Прогоны рассчитывают на изгиб, стойки— на сжатие с изгибом, а подкосы — на сжатие. Усилие в этих элементах определяют по приближенны* формулам, учитывая, что на их дейст­вительной работе сильно сказываются неточности изготовления и деформации, возникающие при усушке, которые трудно учесть в расчете.

Расчету рамы предшествуют установление ее расчетной схемы и выбор осей ее элементов. Для удобства расчета можно допустить некоторое отклонение расчетный осей элементов от их действитель­ных геометрических осей. Например, они могут быть проведены через центры опорных и конькового шарниров параллельно внеш­нему контуру стоек и ригеля. Различие в положении расчетной и действительной осей элемента возникает обычно в том случае% когда элемент имеет переменную по длине высоту сечения и раз­меры сечения заранее не известны. Различие в положении расчет­ной и действительной осей учитывается на стадии подбора и про­верки сечения элементов.

Трехшарнирные рамы сплошного сечения (рис. 14.1, а) удобно рассчитывать в такой последовательности. Сначала вычисляют усилия в элементах левой половины рамы при снеговой нагрузке, расположенной на половине пролета. Эти усилия, вычисленные для нескольких сечений стойки и ригеля, дают возможность без дополнительных расчетов заполнить графы 2—5 таблицы усилий (см. пример 14.1). Затем для этих же сечений вычисляют усилия от ветровой нагрузки. При отсутствии других нагрузок достаточно результатов этих двух расчетов для заполнения таблицы усилий.

При действии снеговой нагрузки на половине пролета опорные реакции в трехшарнирных рамах Усилия от снеговой нагрузки вычисляют с учетом ломаного очертания оси рамы. Изгибающий момент в вертикальной стойке М=Ну, а в левом ригеле при снеге слева изгибающий момент

при снеге справа

M=Rx—Hy. Продольную силу N к поперечную силу Q можно, как и в арках, вычислять во всех сечениях, а лишь в характерных, где М=М_тя1, а также в узлах. вертикальных стойках продольная сила равна вертикальной составляющей реакции рамы (N=R), а поперечная сила Q=H. В наклонном ригеле эти усилия вычисляют как сумму проекций вертикальных и горизонтальных со I ставляющих.

Проверка прочности сечении. Наиболее напряженны­ми сечениями по нормальным напряжениям для рам без подкосов являются карнизные узлы. Если высота сечения рамы в коньковом узле составляет не менее 0,3 высоты сечения в карнизном узле, то проверку ригеля при действии положительного изгибающего мо­мента вблизи конькового узла можно не производить.

Рис. 14.4. Схемы работы трехшарнирных рам

Рис. 14.5. Варианты карнизных узлов дощатоклееных рам:

а — гнутоклееной; б — из Г-образных полурам; / — расчетная ось; 2 — ось элемента

Трехшарнирные рамы с подкосом в карнизном узле (см. рис. 14.3, г) рассчитывают с учетом следующих особенностей.

Жесткий карнизный узел заменяют статически эквивалентной системой (см. рис. 14.4, б), состоящей из подкоса, шарнирно при­мыкающего к стойке и ригелю в точках F и Е, и шарнирного соеди­нения ригеля со стойкой в точке D. В такой схеме при нагрузках _От собственной массы и снега ригель и стойка на участках AF и ЕС сжато-изогнуты, на участках FD и DE — растянуто-изогнуты, а подкос FE сжат. При больших ветровых нагрузках продольные уси­лия в этих элементах могут изменить знаки на обратные.

Изгибающие моменты в ригеле и стойках таких рам достигают максимума в точках F к Е, где примыкает подкос. Продольные усилия в подкосе Л/_п и уси­лия на участках FD и DE можно вычислить, сделав сечения и приравняв нулю моменты сил относительно точек A, D и С.

Трехшарнирные рамы построечного изготовления. Статический расчет и проверка сечений рам, выполненных из элементов сплош­ного сечения (см. рис. 14.3), ничем не отличаются от расчета ана­логичных клееных рам, показанных на рис. 14.2, д, е.

Если какие-то части рамы имеют решетчатую конструкцию (см. рис. 14.3, б, в), то усилия в стержнях определяют общими ме­тодами строительной механики.

Элементы решетчатых частей рам при отсутствии межузловых нагрузок проверяют только на действие продольных сил — сжи­мающих или растягивающих.

Опорные шарнирные узлы дощатоклееных рам показаны на рис. 14.7. Во всех этих узлах продольная сжимающая сила N во­спринимается смятием вдоль волокон древесины стойки и смятием бетона фундамента. В этом случае проверку производят по форму­ле (5.15):

Поперечная сила Q может быть передана на фундамент через болты или глухари, крепящие стойку к стальным элементам, заде­ланным в фундамент (рис. 14.7, а). В этом случае расчет числа болтов аналогичен расчету опорного узла арки (см. § 13.3). В дру-

гом варианте опорного узла поперечная сила передается на фунда-мент путем упора стойки рамы в вертикальный лист стального башмака (рис. 14.7, б). Башмак такой конструкции воспринимает усилие только одного знака. В случаях, когда возникает поперечная сила противополож­ного знака (например, при больших ветровых нагрузках), она должна быть воспринята болтом.

Рис. 14.7. Варианты опорных узлов дощатоклееных трехшарнирных рам: а — с профильными анкерами; 6 — со стальными башмаками; / — стойка; 2 — профильный анкер; 3 — болты; 4 — стальной башмак; 5 — анкерный колодец; 6 —болтовые анкера

Коньковые узлы трехшарнирных рам решаются так же, как узлы трехшарнирных арок, и рассчитываются на продольную и поперечную силы, возникающие в вертикальном сечении узла.

Карнизные узлы. В рамах с подкосами сечения всех элементов следует делать одинаковой ширины. В рамах, показанных на рис. 14.2, г, д, сжатый элемент проверяют по формуле (5.4). В местах примыкания сжатого подкоса ригель и стойку проверяют на смя­тие и скалывание подобно лобовой врубке при R_См9о=1,8 МПа (рис. 14.8):

При проверке прочности сечения по скалыванию следует также проверять скалывающие напряжения, вызванные поперечной

силой Q, действующей в ригеле в сечении d—d (рис. 14.8):

„р S — статический момент относительно нейтральной оси части сечения ригеля, ограниченного плоскостью скалывания врубки. Приближенно S = Q,5h_BVb(h—h_Bp).

Рис. 14.8. Варианты карнизных узлов рам:

А - с опорным подкосом; б — угловым подкосом; в — двухшарнирный с жестким риге-1ем; / — деревянные накладки; 2 — болты; 3 — стальные накладки; 4 — глухари; 5 — фанерные накладки; 6 — гвозди; 7 — вклеенные стержни; 8 — опорные накладки

Соединение ригеля, со стойкой в рамах с опорным подкосом (рис. 14.8, а) выполняется при помощи деревянных накладок 1 или металлических хомутов на болтах 2.

Это соединение рассчитывается на действующую в стойке про­дольную силу N. В большинстве случаев сила N является растя­гивающей. Болты в накладках рассчитываются с учетом ее дейст­вия под углом к направлению волокон древесины ригеля.

Соединение стойки с ригелем, рамы с подкосом в карнизном узле может выполняться с применением гнутых стальных полосо­вых накладок, прикрепленных к верхним кромкам соединяемых элементов двумя (или более) рядами глухарей (рис. 14.8, б). На­кладки 3 бывают сплошными или имеют монтажный болтовой стык. Сечение накладок и количество глухарей 4 определяются расчетом на действующие в накладках растягивающие усилия. В этом соединении устанавливают дополнительно боковые дву­сторонние накладки из водостойкой фанеры 5 на гвоздях 6, кото­рые рассчитывают на действующую по оси узла поперечную силу.

Жесткое соединение шарнирно опертой стойки с ригелем в виде дощатоклееной балки может быть выполнено с помощью вклеен­ных стержней (рис. 14.8, в). Стержни 7, вклеенные горизонтально в торец балки, соединяют со стойкой. Балка по плоскости опира-ния на стойку имеет стальную накладку 8, прикрепленную к ней тоже вклеенными" вертикальными стержнями. Горизонтальные вклеенные стержни рассчитывают на действие продольных сил от изгибающего момента в узле. Вертикальные стержни рассчитыва­ют на опорную реакцию балки, чем исключается работа древесины опорной плоскости балки на смятие поперек волокон.

Опорный и коньковый узлы рам с подкосами в карнизных узлах решаются и рассчитываются так же, как и в бесподкосных рамах.

Узлы рам построечного изготовления решаются с учетом способа их изготовления и имеющегося сортамента ма­териалов.

В рамах, элементы которых имеют сплошное сечение (см. рис. 14.3, а), сжимающие усилия в узлах воспринимают упором, а рас­тягивающие— с помощью болтов и деревянных накладок.

В решетчатых рамах используют такие же соединения, а для соединения решетки с поясами применяют металлические накладки, которые крепятся к решетке на гвоздях или болтах, а к поясу — одним центровым болтом. В дощатых рамах пояса могут быть сделаны из двух ветвей, а решетка — из одной доски; тогда соеди­нение решетки с поясами делают на гвоздях, пропуская решетку между ветвями пояса. При трехшарнирной схеме (см. рис. 14.3, в) внутренние пояса в карнизном узле стыкуются трехлобовым упором, а наружные пояса — с помощью стальных накладок, прикрепленных винтами или глухарями.

Поиск по сайту: