Рассматриваются особенности проектирования воздухоопорных сооружений с учётом всего спектра нагрузок, особенностей построения развёрток и свойств материалов оболочки.
Ключевые слова: воздухоопорное сооружение, фундамент, оболочка, развёртка, расчёт нагрузки.
Воздухоопорное сооружение (далее ВОС) представляют собой гибкую оболочку из прочной армированной ткани без металлических конструкций [1]. В отличие от надувных сооружений [2], основание ВОС герметично закрепляется на ленточном фундаменте. Внутрь оболочки подается воздух, создавая избыточное давление и являясь опорой для сооружения. Арматурой ткани служит синтетический корд. Воздухонепроницаемость ткани обеспечивается за счёт нанесения двухстороннего покрытия. Покрытие, как правило, представляет собой слой полихлорвинила, что позволяет качественно соединять элементы кроя в единое изделие. Основная технология соединения элементов кроя – сварка горячим воздухом, но можно использовать и склеивание. Наиболее часто используется сварка внахлёст.
В техническом задании присутствует точное описание формы фундамента (прямоугольник, неправильный многоугольник, окружность и т.д.), габариты и приближённая форма всего изделия. Иногда практикуется использование многомерного фундамента, когда одна или несколько кромок ВОС закреплены на наклонной или вертикальной стенке. Это вызывает некоторые сложности при монтаже, но применялось на практике.
Чаще всего подобные сооружения используются при создании закрытых теннисных кортов, бассейнов и даже футбольных полей. Иногда они используются как временные покрытия готовых объектов при ремонте или реконструкции для поддержания нужной температуры или защиты от осадков. Внешний вид таких сооружений приведён на рис.1. Важной особенностью являются значительные габариты. Как правило, это десятки метров.
На первом этапе конструирования формируется внешний вид изделия. Особенность всех надувных и воздухоопорных сооружений в том, что форма критического сечения при отсутствии внешних сил стремится к окружности или дуге окружности.
Для примера рассмотрим формирование внешнего вида цилиндрической части ВОС. Поперечное сечение в любом месте цилиндра будет иметь вид, изображённый на рис.2а. На оболочку действует распределённая сила избыточного давления под куполом - Р, сила натяжения ткани - S и сила реакции опор в точках закрепления покрытия к фундаменту Т. Допущением является отсутствие силы тяжести оболочки - f. В этом случае сила удельная натяжения оболочки одинакова для всего сечения:
S= Р*R;
Решение плоской задачи определяет форму сечения как дугу окружности.
Сила тяжести оболочки - f направлена по вертикали и распределена неравномерно вдоль горизонтального направления. Сила натяжения оболочки в этом случае непостоянна исечение примет форму близкую к эллипсу (рис 2б).
В реальных условиях (избыточное давление удельная масса ткани – 0.8кг/кв.м.) этими искажениями формы можно пренебречь и принять форму сечения в виде окружности.
Формирование обводов нецилиндрической части – нетривиальная задача и для каждого конкретного случая решается индивидуально. Алгоритм следующий. Выбирается несколько критических сечений, по трём точкам определяется форма сечений (дуга окружности), по сечениям формируется поверхность (интерполяция). Задача существенно упрощается при использовании графических пакетов (операция «по сечениям»).
На втором этапе имеющаяся конструкция дополняется конструктивными элементами: крепление купола к фундаменту, воздухоизолирующие юбки, оформление герметичного рукава к переходному тамбуру и т.д.
Остановимся на креплении купола к фундаменту. Крепление кромки купола должно быть ленточным, т.к. при точечном креплении ткань не выдержит возникающих нагрузок.
Очень часто для крепления в кромке выполняется карман по всему периметру купола. При монтаже в карман закладывается металлическая труба, которая с нужной частотой точечно крепится к фундаменту. Существуют и другие варианты.
После этого можно приступать к построению выкроек деталей. Многие элементы купола – неразвёртываемые поверхности. Для выполнения развёрток таких поверхностей используется следующий алгоритм. Поверхность разбивается на отдельные отсеки, каждый отсек заменяется развёртываемой поверхностью, строятся развёртки этих элементов и полученные звенья стыкуются между собой. Критерием качества в данном алгоритме является точность и количество соединительных швов. Если учесть, что ткань поставляется в рулонах шириной 2-3 м, желательно, чтобы состыкованные звенья удачно укладывались в заданную полосу ткани.
Развёртка цилиндрической части для приведённых примеров удачно вписывается в заданный размер ткани. Неразвёртываемая часть в первом примере представляет собой четыре одинаковых сектора, каждый из которых состоит из двух симмертричных элементов. Поэтому достаточно построить развёртку для одного из них, а остальные - отобразить используя операции симметрии и копирования.
На рис.3 приведён неразвёртываемый элемент купола с разбивкой его на полосы кроя. Для одной из полос приведена разбивка её на отсеки.Каждый отсек на развёртке - криволинейный треугольник заменяется на развёртке плоским, у которого длины сторон равны длинам сторон криволинейного треугольника. Это способ триангуляции или способ вспомогательных треугольников .
Во втором примере, приведённом на рис.1, неразвёртываемая часть имеет форму сферы – рис.4а.
В этом случае целесообразно разбить поверхность на равные радиальные сектора и каждый сектор заменить цилиндрической поверхностью – рис.4б. Для соблюдения размерных соотношений периметры оснований должны совпадать по длине. Для оптимизации расхода материала максимальную ширину удобно выбрать исходя из ширины используемого рулона ткани.
Развёртку каждого сектора можно выполнить способом нормального сечения. При использовании графических пакетов трёхмерного моделирования эта задача упрощается. Многие графические пакеты позволяют получить готовые развёртки развёртываемых поверхностей.
На следующем этапе производится выпуск конструкторской документации.
На этом графическая часть проекта заканчивается.
Расчётная часть может быть дополнена расчётом допустимой снеговой и ветровой нагрузки.
При расчёте допустимой снеговой нагрузки необходимо учитывать прочностные характеристики используемой ткани.
Снеговая нагрузка рассматривается как дополнительное воздействие внешних сил тяжести. Это приводит к уменьшению сил натяжения ткани и может быть скомпенсировано увеличением избыточного давленияпод куполом оболочки. При этом нужно следить, чтобы этим избыточным давлением не разорвало оболочку при снятии этого воздействия (резком таянии снега).
Расчёт ветровой нагрузки в общем случае сложная аэродинамическая задача обтекания поверхности потоком воздуха. В упрощённом варианте расчёта можно допустить, что вся энергия ветра равна работе сил торможения потока поверхностью сооружения. При этом можно ограничиться рассмотрением нагрузок только на цилиндрическую поверхность с направления перпендикулярного этой поверхности. Это воздействие, также как и в случае снеговой нагрузки, можно до определённой степени, скомпенсировать увеличением избыточного давления под куполом ВОС.
Список литературы
-
Алексеев С. А.// Основы общей теории мягких оболочек . Расчет пространственных конструкций, 1966, вып. XI.
-
Семёнов В.А., Дюмин В.А., Тихонов-Бугров Д.Е.// Геометро-графические элементы САПР надувных конструкций. Динамика систем механизмов и машин. 2016. Т.4. №1.
Рисунки к докладу
Рис. 1
Внешний вид воздухоопорных сооружений
Рис. 2
Поперечное сечение цилиндрической части воздухоопорных сооружений
Рис. 3
Неразвёртываемый элемент купола
Рис. 4
Неразвёртываемая часть купола в виде сферы
Вопросы и комментарии к выступлению:
Лепаров Михаил Николаевич (6 марта 2017 г. 19:11) |
Здравствуйте, Виктор Алексеевич! Спасибо за доклад. Мне всегда приятно читать о проектирование что- то. Два вопроса:
Пожалуйста, извините мой русский. С уважением млепаров |
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (7 марта 2017 г. 0:32) |
Михаил Николаевич, здравствуйте! Виктор Алексеевич в настоящее время недоступен. Считаю, как заведующий кафедрой, возможным ответить частично на Ваш вопрос. В какой-то мере это материал методический, как часть САПР, разработанной Семёновым. Он является ведущим специалистом в стране по проектированию надувных и воздухоопорных конструкций. Среди его работ: оболочка для ремонта Мавзолея Ленина, крыша плавательного бассейна в Геленджике, оригинальное покрытие летних кортов "Динамо", крыша кафе дворика Строгановского дворца и.т.д. Я даже немного рад, что Виктор в командировке. Он бы по скромности о многом умолчал. Как только он появится из командировки, даст Вам полный ответ. Спасибо Вам за интерес к проектированию, которому уделяется знасительное внимание на нашей кафедре. С уважением, Тихонов-Бугров. |
|
Лепаров Михаил Николаевич (7 марта 2017 г. 1:05) |
Здравствуйте, Дмитрий Евгеньевич! Спасибо большое за ответ. Давно заметил серезная работа Вашей кафедре. С уважением млепаров
|
|
Семёнов Виктор Алексеевич (7 марта 2017 г. 21:50) |
Уважаемый Михаил Николаевич! Данная методика применима и к многослойным оболочкам. На практике наиболее часто применяют двухслойные оболочки. В такой оболочке внутренний слой имеет меньшую длину в поперечном сечении,чем внешний. Полосы внутреннего и наружного слоёв соединены между собой швами. Наружный слой в поперечном сечении образует последовательность выпуклых менисков, а внутренний слой имеет ровную поверхность. В результате между внутренним и наружным слоями образуется воздушная прослойка, которая выполняет роль теплоизолятора. Данная методика была опробована на множестве разнообразных воздухоопорных сооружений и показала свою эффективность. Если у Вас появятся дополнительные вопросы, с удовольсвием отвечу на них.С уважением Семёнов В.А. |
|
Лепаров Михаил Николаевич (7 марта 2017 г. 22:26) |
Здравствуйте, уважаемый Виктор Алексеевич! Спасибо за ответ. Воспользуясь возможность задать еще один вопрос. Так как по моему варианты елементов воздухоопорных сооружений (оболочка, крепление к фундамента, двери, вентилаторы, допольнительная оснастка и др.) не так много, то ето нe дает ли возможность автоматизации процесса проектирования воздухоопорных сооружений, в т.ч. и изготовление рабочей документации? Вы думали об этом? Пожалуйста, извините мой русский. С уважением млепаров |
|
Семёнов Виктор Алексеевич (9 марта 2017 г. 18:46) |
Уважаемый Михаил Николаевич! Я достаточно серьёзно занимаюсь проектированием надувных и воздухоопорных сооружений. Что касается надувных сооружений, то для класса надувных каркасов, состоящих из сочетания развёртываемых поверхностей, задача решена и имеет успешное применение на практике. Результаты изложены в статье: "Семёнов В.А., Дюмин В.А., Тихонов-Бугров Д.Е.// Геометро-графические элементы САПР надувных конструкций. Динамика систем механизмов и машин. 2016. Т.4. №1. " Над задачей создания САПР для воздухоопорных сооружений мы активно работаем. |
Назад Go Back