Формообразование и конструктивные решения тентовых покрытий

12.09.2020

В отечественной и зарубежной строительной практике область применения тентовых покрытий непрерывно расширяется, чему способствует совершенствование материалов мягких оболочек. Основными поставщиками мирового рынка являются Япония, США, ФРГ. Примерно 50 % всех возведенных тентовых сооружений относятся к области гражданского строительства, 30 % — сельскохозяйственного и 20 % — промышленного.

Пролеты, перекрываемые тентами, колеблются в широких пределах. Основную долю (70 %) составляют сооружения средних пролетов (до 30 м). Почти треть из них — небольшие погодозащитные навесы с пролетами до 12 м. Однако в последние годы и пролеты, и перекрываемые площади неуклонно растут. Примером может служить покрытие построенного в 1982 г. международного аэропорта Джидда (Саудовская Аравия), состоящее из 210 тентовых модулей размерами 45х45 м. Общая площадь этого покрытия превышает 42 га.

Тентовое покрытие — предварительно напряженная конструкция. Натяжение оболочки тента осуществляется механическим путем: оттягиванием углов, подъемом опорных стоек, притягиванием промежуточных точек тента к земле или оттягиванием их кверху, искривлением жесткого опорного контура и др. В результате в оболочке возникает начальное натяжение по.

Форма поверхности тента должна удовлетворять двум основным требованиям: 1) обеспечению равномерного распределения предварительного натяжения по всей поверхности оболочки; 2) «жесткости формы» после создания в оболочке предварительного натяжения.

Жесткость формы присуща поверхностям отрицательной гауссовой кривизны Г, характеризуемых тем, что центры их главных кривизн располагаются по разные стороны поверхности и, следовательно, радиусы этих кривизн r1 и r2 имеют разные знаки (рис. 2.18.1):

При предварительном натяжении тентовая оболочка испытывает равные напряжения во всех точках, если ее поверхность является минимальной, т. е. такой, средняя кривизна H которой равна нулю:

Минимальная поверхность представляет интерес еще и потому, что обеспечивает наиболее экономный расход материала на изготовление оболочек среди прочих, имеющих такие же условия закрепления. Математическое описание минимальных поверхностей представляет значительные трудности и возможно лишь в некоторых частных случаях. В работе приведены примеры определения форм минимальных поверхностей с заранее заданным контуром, которые сводятся к решению дифференциального уравнения

где F — проекция на плоскость Oxy заданного контура, описываемая функцией ф(x, у). Графиком функции Z является искомая минимальная поверхность. Уравнение (2.18.3) решается численными методами, например методом конечных разностей с использованием прямоугольной сетки. Полученные координаты Zi,j узлов делают возможным построение точечного каркаса минимальной поверхности, которая аппроксимируется вписанным в нее многогранником. Такое задание облегчает составление программ для ЭВМ при статическом расчете оболочек и их раскрое.

Если контур оболочки в пространстве не зафиксирован и им служат канаты, закрепленные в отдельных точках, то требуется решить два взаимосвязанных нелинейных дифференциальных уравнения. Такие задачи отличаются чрезвычайной сложностью и аналитически трудно разрешимы. Их решение возможно лишь при использовании метода конечных элементов. Приближенно форма такой оболочки, оконтуренной гибкими нитями, может быть легко найдена с помощью физического моделирования (мыльные или тонкие резиновые пленки, эластичные ткани и сетки из упругих нитей).

Для построения минимальной поверхности задают исходные условия, которые определяются конструкцией оболочки; К ним относятся способы контурного или внутриконтурного закрепления оболочки, обеспечивающие определенное положение ее фиксированных точек в пространстве. Искомая поверхность должна проходить через эти точки, являясь при этом минимальной. Форма минимальной поверхности, соответствующая этим исходным условиям, рассчитывается на ЭВМ и визуально контролируется на экране дисплея.

На практике нередко приходится отклоняться от минимальной поверхности с целью обеспечения благоприятных условий восприятия оболочкой внешних воздействий (ветра, снега и др.), а также упрощения ее раскроя. Тем не менее формы минимальных поверхностей являются вполне приемлемым приближением, в которое затем можно ввести необходимые изменения.

Для образования устойчивой формы оболочки необходимым условием является наличие предварительного натяжения, а достаточным — наличие минимум четырех фиксированных точек оболочки, не лежащих в одной плоскости. Это основной принцип формообразования тентовых оболочек, который реализуется в двух случаях: исходные условия определяют только контур оболочки; исходные условия кроме контура определяют положение некоторых внутриконтурных точек.

Конструктивно это достигается четырьмя способами, два из которых относятся к первому случаю, а два других — ко второму. Первый способ заключается в том, что устойчивая форма оболочки обеспечивается закреплением отдельных точек контура в разных уровнях (рис. 2.18.2, а). Контур оболочки в этом случае является гибким, т. е. не сопротивляется сжатию и изгибу. Второй способ состоит в закреплении оболочки на криволинейном или полигональном изгибно-жестком неплоском опорном контуре (рис. 2.18.2, в, г). Третий и четвертый способы отличаются тем, что устойчивая форма оболочки обеспечивается выведением внутриконтурных точек из условной плоскости фиксированных точек контура. Минимальное число закрепленных точек здесь также равно четырем. Три из них определяют контур оболочки, а четвертая находится внутри ее контура. Разница между третьим и четвертым способами состоит в направлении выведения внутриконтурных точек — наружу или внутрь. В пределах одной оболочки оба способа могут быть использованы одновременно, равно как и другие комбинации способов (рис. 2.18.2, д—з).

Конструкции тентовых покрытий определяются типом оболочки и видом поддерживающих устройств.

Оболочки классифицируют по их наиболее существенному признаку — способу образования устойчивой формы. Возможны также комбинации из четырех основных способов по два, три и четыре. Всего их может быть 11: шесть по два способа, четыре по три и один, включающий все четыре. Возможно также сочетание в одном сооружении оболочек разных типов, стыкуемых по линии контура.

Классификация оболочек тентовых покрытий показана на рис. 2.18.3.

Оболочки с гибким контуром (тип I) применяют, как правило, для покрытий, защищающих от осадков и инсоляции, но не образующих замкнутого объема (рис. 2.18.4, а, б). Для создания изолированного от внешней среды помещения необходимы дополнительные конструкции, выполняющие роль стенового ограждения.

Оболочки с жестким контуром (тип II) могут быть использованы в сооружениях различного назначения, размеров и формы в плане (рис. 12.18.4, в, г). В качестве поддерживающих конструкций, образующих жесткий контур, чаще всего используют арки. При этом основание с системой анкеров может являться частью жесткого контура.

Оболочки с внутриконтурными опорами (тип III) очень распространены. Это наиболее простой тип оболочек, не требующий сложных конструктивных устройств (рис. 2.18.4, д, е). Так же, как и при контурном закреплении точек, поддерживающими конструкциями являются стойки и мачты. Контур оболочки может быть закреплен в нескольких точках или по всему периметру, но в отличие от оболочек типов I и II контур может быть плоским. Распространенной разновидностью тентов типа III являются оболочки, подвешенные внутри контура к узлам жесткой решетчатой пространственной конструкции.

Оболочки с внутриконтурными оттяжками (тип IV) являются инверсией оболочек типа III с той разницей, что поддерживающие конструкции обеспечивают фиксированное положение точек контура выше внутренних точек (рис. 2.18.4, ж, з), оттянутых вниз (внутрь сооружения).

Комбинированные оболочки позволяют значительно разнообразить формы сооружений и придавать им архитектурную выразительность. Широко распространены оболочки, формы которых создаются комбинированием способов III и IV В таких оболочках некоторые точки втянуты внутрь сооружения канатными оттяжками (рис. 2.18.4, и). Тентовые сооружения с оболочками, образованные комбинацией трех способов, встречаются значительно реже.

По частоте применения в мировой строительной практике типы оболочек распределяются следующим образом: тип I—15 %, тип II—27, тип III—36 %, тип IV—5, комбинированные — 17 %.

Конструкции, поддерживающие верхние точки тентовых сооружений, в зависимости от их расположения по отношению к оболочке делятся на три основные вида: контурные, наружные, внутренние. Выбор этих конструкций зависит от требований, предъявляемых к сооружениям, условий их эксплуатации, назначения, мобильности, трансформируемости и др. Наибольшее распространение получили стойки и мачты, снабженные системой канатных растяжек, обеспечивающих их устойчивость и возможность изменения углов их наклона. Используются также арки, рамы, решетчатые пространственные конструкции, стены капитальных зданий и др.

Характерной конструктивной особенностью тентовых покрытий, связанной со способом их предварительного натяжения, являются узлы соединения оболочки с опорными и натяжными устройствами. Передача сосредоточенных усилий от стоек, подвесок, оттяжек и других конструкций оболочке неизбежно связана с повышением напряжений в последней. Поэтому особое внимание уделяется конструктивным решениям, направленным либо на удаление перенапряженных участков оболочки с заменой удаленной части специальным конструктивным элементом (рис. 2.18.5, а—г), либо на усиление оболочки в местах приложения сосредоточенных сил (рис. 2.18.5, д—ж).

Внутриконтурные опорные точки оболочки независимо от того, оттянуты они наружу сооружения или втянуты вовнутрь, могут иметь однотипные конструктивные устройства, обеспечивающие равномерное (без концентрации напряжений) восприятие усилий, возникающих в оболочке. Конструктивно внутриконтурные узлы выполняют в виде фигурных вырезов с вшитыми в кромки тросами-подборами, выпуски которых укрепляют на поддерживающих конструкциях (рис. 2.18.5, з).

Другой вариант конструктивного решения внутриконтурных узлов предусматривает применение специальных жестких или полужестких устройств, укрепляемых на оболочке. Ими могут быть металлические листовые конусы, между которыми зажат материал оболочки (рис. 2.18.5, в); диаметр конусов зависит от усилий, приходящихся на узел, и определяется напряжениями, распределенными по периметру так, чтобы удовлетворить требованиям прочности материала. Точечная подвеска, обладающая демпфирующими свойствами, изображена на рис. 2.18.5, д. Демпфирующим элементом могут служить гибкие дуги или фанерные лепестки, действующие подобно листовым рессорам (рис. 2.18.5, ж).

При прикреплении оболочки к отдельным точкам опорного контура (рис. 2.18.6) кромка ее усиливается канатами-подборами (вшитыми в край оболочки или пришнурованными к ней), соединяющими две соседние фиксированные точки контура. Последние могут быть закреплены на необходимой высоте на стойках или мачтах или непосредственно в анкерных устройствах на уровне земли. В этих точках размещают узлы, обеспечивающие совместную работу канатов-подборов и мягкой оболочки.

Особую группу конструктивных решений составляют тентовые сооружения, оболочка которых подкреплена канатами или тросовыми сетками. Они повторяют форму оболочки и поддерживают ее в нескольких точках или по всей длине канатов и сеток, которые могут располагаться под оболочкой или над ней. Конструкциями с подкрепляющими канатами можно перекрывать пролеты, измеряемые десятками метров.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна