Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях


НАГРУЗКИ

Предварительные замечания. Применительно к воздухоопор ным оболочкам не представляется возможным исследовать отдельно только ветровую нагрузку, поскольку одновременно с ней на оболочку действуют еще по крайней мере собственный вес и внутреннее давление, далее эти три вида нагрузок будут рассмотрены более подробно. Собственный вес оболочки в общем не играет существенной роли. Внутреннее давление можно надлежащим образом регулировать, устанавливая его в соответствии с условиями эксплуатации сооружения. Что касается ветровой нагрузки, то для ее назначения пока еще нет достаточно обоснованных данных. Ветровая нагрузка зависит от многих параметров, в том числе и от принятой величины внутреннего давления.

Кроме упомянутых выше нагрузок, на воздухоопорные оболочки могут действовать еще снеговая нагрузка и особые нагрузки (например, нагрузки от оборудования); однако в настоящей статье они не рассматриваются.

Ввиду многообразия возможных геометрических форм воздухоопорных оболочек мы ограничимся в дальнейшем рассмотрением типичных форм оболочек, показанных на рис. 1.

Собственный вес. Собственный вес оболочки g существенным образом определяется ее материалом. Для обычно применяемых в настоящее время пролетов оболочек и типов тканей собственный вес редко превышает 10 Н/м2, что, как правило, пренебрежимо мало по сравнению с внутренним давлением и ветровой нагрузкой. Исключения возможны лишь при использовании весьма тяжелых тканей (в оболочках очень больших пролетов) либо при устройстве дополнительной теплоизоляции оболочек с целью экономии энергии [2]. В некоторых случаях необходимо учитывать также постоянные нагрузки от веса элементов оборудования, осветительных приборов и т. п. Прежде указывалось также на возможность повышения собственного веса оболочек вследствие намокания ткани; однако теперь, в связи с применением эффективных водоотталкивающих покрытий, этот вопрос потерял свое значение.

Внутреннее давление. Внутреннее избыточное давление воздуха в сооружении создается обычно с помощью вентиляторов (воздуходувок). Внутреннее давление) не является строго неизменным в течение времени, поскольку постоянно происходит утечка воздуха из оболочки через разного рода неплотности, которую необходимо компенсировать. Поэтому следует различать номинальное и эксплуатационное внутреннее давление. Под номинальным понимают внутреннее давление, принимаемое в расчетах оболочек и регламентируемое соответствующими национальными нормами.

Эксплуатационное (фактическое) давление воздуха, устанавливаемое в зависимости от изменения условий эксплуатации сооружения, может в большей или меньшей, степени отличаться от номинального. В особенности это относится к системам с автоматическим регулированием давления в зависимости от скорости ветра.

Внутреннее избыточное давление воздуха создает предварительное напряжение оболочки и тем самым обеспечивает несущую способность воздухоопорного сооружения в целом. Оно имеет решающее значение для стабильности формы и надежности сооружения, а также в значительной степени определяет напряженно-деформированное состояние оболочки. Внутреннее давление должно быть по меньшей мере достаточным для придания оболочке требуемой формы с учетом собственного веса. Необходимо, далее, чтобы при любых возможных нагрузках во всей оболочке действовали только растягивающие усилия, за исключением отдельных небольших участков — например, в местах анкеровки или в переходных областях между зонами различной кривизны. Значительное складкообразование и, тем более, «флаттер» (полоскание) оболочки должны быть, безусловно, исключены по соображениям надежности. При слишком малом внутреннем давлении возможны чрезмерно большие перемещения оболочки, которые могут привести к уменьшению полезного объема сооружения, а в отдельных случаях — к соприкасанию оболочки с находящимися под ней предметами и к разрушению материала оболочки. С другой стороны, слишком высокое внутреннее давление также невыгодно, поскольку это вызывает повышенный расход энергии и перенапряжение несущих элементов конструкции (оболочки и анкерных устройств).

Таким образом, для правильного выбора внутреннего давления следует руководствоваться требованиями как надежности, так и экономичности сооружения. Критерии для установления минимального и максимального внутреннего давления, а также рекомендации по назначению этой величины в обычных условиях эксплуатации приведены, в частности, в работе [9]. В работе [20] на основании

результатов испытаний моделей рекомендуется принимать следующие отношения внутреннего давления к скоростному напору ветра:
для полуцилиндрических оболочек — 0,62;
для пологих цилиндрических оболочек — 0,50;
для полусферических оболочек — 0,74.

При этих отношениях оболочка деформируется лишь в области положительного ветрового давления (напора). Аналогичные значения приведены в работах [5, 16, 27].

Следует вкратце отметить еще одну особенность. При ветровой нагрузке происходит деформация оболочки, вызывающая уменьшение объема сооружения. При этом, если температура и масса воздуха в объеме сооружения остаются неизменными, происходит повышение внутреннего давления, так как произведение объема на давление является константой. Влияние этого фактора, однако, невелико, поскольку максимальный скоростной напор ветра достигается лишь при коротких порывах (пульсациях). В работе [23] для трех исследованных случаев обнаружено повышение внутреннего давления от 2,3 да 6 %, причем большее из этих значений соответствует пологой цилиндрической оболочке (относительно наиболее деформативной) с радиусом 18 м. Столь незначительным повышением внутреннего давления можно пренебречь в запас надежности.

Ветровая нагрузка. Ветровая нагрузка w, неравномерно распределенная по поверхности воздухоопорной оболочки, обычно представляется в форме w = cq, где с — аэродинамический коэффициент (положительный при напоре и отрицательный при отсосе), q — скоростной напор ветра.

Скоростной напор q определяется скоростью ветра, обтекающего сооружение. Описание реального поля ветра, характеризующегося наличием турбулентных вихрей (порывов), будет, по-видимому, даже в обозримом будущем связано с введением ряда гипотез и упрощений. Поэтому в конкретных случаях при назначении расчетного скоростного напора ветра руководствуются соответствующими нормами и инструкциями. Для практических расчетов в общем достаточно учитывать лишь статическую составляющую скоростного напора, хотя, вообще говоря, он содержит также квазистатическую и динамическую составляющие.

Значения аэродинамического коэффициента с, характеризующего местное распределение ветровой нагрузки по поверхности сооружения, определяются для воздухоопорных оболочек пока только путем испытания моделей в аэродинамических трубах. Использование этих значений для описания реального нагружения натурных сооружений возможно лишь с учетом определенных факторов, подробно рассмотренных в соответствующей литературе [4, 5, 16, 20, 26]. Из них следует упомянуть влияние числа Рейнольдса; соблюдение закона подобия модели по материалу; тип модели (жесткая или гибкая); характер потока (ламинарный или турбулентный); форму вертикального профиля ветра.

Значение аэродинамического коэффициента зависит, кроме того, от направления потока ветра и от отношения внутреннего давления к скоростному напору. Почти совершенно не изучено влияние динамического характера ветровой нагрузки.

В связи с изложенным не следует ожидать, что распределение ветрового давления можно рассматривать как достаточно надежно обоснованную характеристику. В самом деле, даже опубликованные в литературе результаты измерений на моделях обнаруживают значительные расхождения. Подробное рассмотрение этой проблемы выходит за рамки настоящей статьи. Мы лишь ограничимся ссылкой на некоторые основные работы, содержащие результаты измерений на моделях оболочек следующих форм: полусфера — [4, 20]; полуцилиндр со сферическими торцами — [16, 20, 26]; полуцилиндр на прямоугольном плане — [5, 20]; пологая цилиндрическая оболочка с закругленными торцами — [16]; то же, на прямоугольном плане — [20].

Распределение ветрового давления у торцов оболочки не подчиняется столь простым закономерностям; в общем можно лишь констатировать, что «пики» отсоса смещаются в подветренную сторону, а их интенсивность становится значительной.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что на нынешнем уровне наших знаний не представляется возможным дать универсальные рекомендации по назначению ветровой нагрузки. Неизвестна функциональная зависимость распределения аэродинамических коэффициентов от таких факторов, как отношение внутреннего давления к скоростному напору, направление ветра, форма оболочки; поэтому невозможно и однозначное аналитическое описание такого распределения. Кроме того, ветровая нагрузка зависит еще и от перемещений оболочки, т. е. является неконсервативной. Таким образом, расчет воздухоопорной оболочки на ветровую нагрузку должен выполняться особо для каждого конкретного случая; распространять результаты этого расчета на иные условия следует с надлежащей тщательностью, имея в виду возможную потерю точности.

В. Ермолов, У. У. Бэрд, Э. Бубнер и др., Пневматические строительные конструкции, М., 1983

??????????

??????? ?.?., ??$B!`(B?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????????????? ???????????

?????? ?.?., ???????????? ??????????? ?????????? ????????????

?.?. ???????, ????????????? ???????????

?.?. ???????, ???????? ?????? ?? ??????? ???????????

?. ???????, ????????$B!`(B????? ???????????? ???????????

???????? ?.?., ??????????? ?.?., ???????? ?.?., ???????????????? ?????????? ???????????

?.?. ???????, ?????????? ???????????

?.?. ?????????, ?. ????, X. ???????, ????? ???????????? ?????

?.?. ???????, ?????? ???????

?????? ?.?., ??????????: ??? ??? ???????? ? ??? ??? ??$B!`(B?????

?. ????????, ???????????? ????????????? ???????????? ??????

?.?. ???????, ?????????????$B!`(B????? ?????????

?.?. ???????, ????????? ??????????$B!`(B?????? ? ?????????????????? ?????????????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. I. ?????? ???????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. II. ??????????? ???????

???????????? ??????????$B!`(B????? ?????

?.?. ???????, ??????????$B!`(B????? ??????????

?. ?. ????, ????????????????

????????????$B!`(B????? ??????????????? ???????

????????????? ?????????????? ???????

????? ? ???????????, ????????? ??????

??????????? ????????? ? ??????????? ???????? ??????????