Содержание к диссертации
Введение
Глава I О тентовых конструкциях и обзор работ в области их исследования и расчета 9
1.1. Классификация, характеристика и области применения тентовых покрытий 9
1.2. Об исследованиях, посвященных тентовым конструкциям 18
1.3. Выводы анализа литературы и постановка задачи диссертации 31
Глава II Расчет тентово-вантовых покрытий 33
2.1. Общие замечания 33
2.2. Принцип и общие уравнения описания работы тканевых материалов 34
2.3. Определение геометрии и деформативно-напря-женного состояния тентово-вантового покрытия в ненагруженном состоянии и под действием статической нагрузки 39
2.4. Расчет прямоугольной тканевой панели с Байтовым контуром по методу разложения нагрузки 65
2.5. Выводы и рекомендации по результатам расчета 74
Глава III Экспериментальное исследование тентово-вантовых покрытий 78
3.1. Определение напряженно-деформативных характеристик ткани тента 78
3.2. Экспериментальное исследование модели тентового покрытия, натянутого вантовым контуром 92
3.3. Экспериментальное исследование модели элемента тентового покрытия 99
3.4. Выводы по экспериментальной части ИЗ
Заключение 116
Литература
- Об исследованиях, посвященных тентовым конструкциям
- Выводы анализа литературы и постановка задачи диссертации
- Определение геометрии и деформативно-напря-женного состояния тентово-вантового покрытия в ненагруженном состоянии и под действием статической нагрузки
- Экспериментальное исследование модели тентового покрытия, натянутого вантовым контуром
Введение к работе
История тентовых конструкций уходит в далекое прошлое. Сохранившиеся до наших дней сведения о самых старинных тентовых сооружениях ведут нас в ХШ век до н.э. В середине XIX века стали распространяться временные тканевые покрытия для проведения различных представлений. Новый этап в развитии тентовых сооружений, продолжающийся и до наших дней, начался в конце пятидесятых годов XX века, благодаря развитию химической и текстильной промышленностей. Создавались новые виды полимерных волокон и на их основе, новые ткани, удовлетворяющие требования конструкторов при перекрытии больших пролетов.
В последние годы как в СССР, так и за рубежом легкие тентовые сооружения, основными частями которых являются мягкая оболочка и поддерживающие ее конструкции, получают все более широкое распространение. Это объясняется тем, что они обладают рядом характерных черт, которые в определенных условиях превращаются в преимущества по сравнению с другими типами конструкций. В качестве основных таких свойств можно назвать возможность перекрытия больших пролетов, быстрогозводимость, малый расход материалов, применимость практически во всех областях народного хозяйства, в том числе в сельском хозяйстве. При возведении тентовых сооружений наряду с достоинствами необходимо учитывать и их недостатки, такие как трудности под-
держания микроклимата и малую долговечность.
Актуальность темы. В решениях ряда Всесоюзных конференций по мягким оболочкам в последние несколько лет на основе представленных докладов было рекомендовано для быстрейшего решения вопросов продовольственной программы страны внедрение выгодных и технически легко осуществляемых тентовых покрытий. Последние могут быть эффективно применены в сооружениях различного назначения, например, для хранения удобрений и урожая, для гара-жирования и оперативного обслуживания техники, а также для проведения собраний, концертов и спортивных мероприятий. В то же время необходимо отметить, что еще мало изучены многие типы тентово-вантовых конструкций, в том числе тентовые покрытия с гибким контуром.
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению статической работы и разработке алгоритма расчета таких конструкций.
Цель работы - экспериментально исследовать работу тентового покрытия, напрягаемого вантовым контуром, для получения данных об их формообразовании и напряженно-деформированном состоянии; разработать методику расчета подобных покрытий с учетом геометрической нелинейности их работы и физической нелинейности работы материала тента; на основе полученных результатов разработать предложения для проектирования, возведения и эксплуатации тентовых покрытий.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе анализируются вопросы, связанные с исследуемой проблемой.
В начале, на основе отечественной и зарубежной практики
проектирования и возведения тентовых сооружений, представляется краткий их обзор, который включает в себя классификацию,характеристику и анализ областей применения тентово-вантовых покрытий. Далее рассматриваются работы, посвященные исследованию тентово-вантовых покрытий, где в первой части коротко реферируются исследования, посвященные изучению различных аспектов строительства и эксплуатации тентовых сооружений. Во второй части представляются работы, посвященные расчету мягких оболочек, как составной части тентово-вантовых конструкций.
Во второй главе диссертации излагаются принципы и общие уравнения описания работы тентовых оболочек. Расчетной моделью тканевой материи выбрана нитевая сеть, нити которой проходят по направлениям основы и утка ткани, а в узлах сети закреплены между собой. Нити сети принимаются физически нелинейными. В большинстве случаев геометрическая форма тентово-вантовых конструкций так сложна, что аналитическое описание ее затруднено. Отсюда вытекает рациональность использования дискретных методов расчета.
Пользуясь выработанной методикой описания работы ткани, рассматривается расчет тканевых оболочек, напрягаемых вантовым контуром. В качестве исходных данных задаются координаты жесткого контура; длины отрезков нитевой сети, т.е. раскрой ткани; механические свойства тканевой материи и силы натяжения контурных вант, а также жесткость на растяжение вант в случае их закрепления на опоры после преднатяжения. При действии внешней нагрузки задаются также величины компонентов сил, сосредоточенных в узлы сети. Расчет изучаемых тентовых покрытий проводится с учетом геометрической нелинейности их работы. В результате решения определяются геометрия покрытия; длины отрезков
нитевой сети и натяжения в этих отрезках в зависимости от конкретного вида нагрузки (в том числе при отсутствии поверхностной нагрузки). Перемещения, изменения деформаций и усилий вычисляются как разницы соответствующих значений в нагруженном и в не-нагруженном состоянии или на разных этапах нагружения.
Составлена программа расчета на ЭВМ. Представляются блок-схема программы и порядок ввода информации.
Предлагается также способ расчета прямоугольной тканевой панели с вантовым контуром по техническому методу разложения нагрузки, с помощью которого можно предварительно подбирать сечения элементов покрытий.
В конце главы, основываясь на результатах расчетов, выявлены характерные черты работы покрытий, напрягаемых вантовым контуром, в зависимости от разных параметров контура. Исходя из этого даются рекомендации по возведению рациональных конструкций подобного типа.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований.
В первую очередь изучены механические свойства тентовой ткани, необходимые для определения напряженно-деформируемого состояния мягкой оболочки модели. Полученные результаты были также использованы при построении расчетной модели тканевой материи.
Приводится описание проведенных экспериментов с моделями тентово-вантовых покрытий. Размеры исследуемых моделей были выбраны с учетом реальных возможностей испытания в масштабе 1:10. Изучаются вопросы начального формообразования поверхности покрытия. Дается анализ их работы под действием статической поверхностной нагрузки. Данные эксперимента сравниваются с ре-
зультатами расчетов.
Научную новизну работы составляют метод расчета тентового покрытия, напрягаемого вантовым контуром, разработанный на основании предложенного принципа моделирования тканевой материи; способ расчета тканевой панели с вантовым контуром по методу разложения нагрузки, а также данные экспериментальных исследований.
Практическое значение диссертации состоит в возможности проектирования рациональных конструкций тентово-вантовых покрытий. На основе результатов исследований и расчетов спроектировано и возведено в Эстонской ССР тентово-вантовое, звездообразное в плане покрытие диаметром 40 м.
На защиту выносятся метод расчета напрягаемого вантами тентового покрытия; способ расчета прямоугольной тканевой панели с вантовым контуром по методу разложения нагрузки; результаты экспериментальных исследований; результаты анализа статической работы исследуемого покрытия и практические рекомендации по возведению и эксплуатации тентовых сооружений.
Об исследованиях, посвященных тентовым конструкциям
Книг и сборников, содержащих обзорную информацию о возводимых тентовых сооружениях, мало. К этому числу относятся книги Ф.Отто, К.Шпейера /51/, Г.Рюле /57/ и обзор Вл.В.Ермолова /61/. Последний содержит краткие данные о многих тентовых сооружениях, построенных до 1979 г. Основная масса информации в этой области опубликована в периодике (см. подпункт I.I.3).
Из работ, относящихся по тематике к третьей группе, надо отметить исследование Т.П.Копсова /37/, где рассмотрены тепло-физические факторы проектирования тентовых ограждений. А.О.Ковалевым и В.Д.Дункшкиным исследована проблема герметичности тентовых сооружений /35/, /36/. В /13/, /14/ и /52/,Ю.И.Блинов, В.И.Отрошенко, Б.С.Стригин, К.Н.Александров и Ю.С.Небараков исследуют проблему износостойкости тентов и дают с этой точки зрения рекомендации по повышению архитектурно-строительных качеств тентов. Вопросы эксплуатации тентов в зимний период рассмотрены в /II/, /12/, /38/ Ю.И.Блиновым, Г.В.Куликовым, В.Д. Дунюшкиным. В работах /8/ и /10/ Т.П.Бирюковой представлены принципы и конкретные формулы для расчета шитых швов в мягких ограждениях. Раскрытие этих же вопросов в пневматических конструкциях принадлежит А.А.Гогешвили /20/ и В.Н.Шпакову /76/.
Изучение и улучшение многих свойств материалов, используемых в мягких оболочках, является важным моментом в дальнейшем развитии тентово-вантовых покрытий. В этой области опубликовано немало работ. Среди них работы таких авторов как Г.Рюле /57/, В.В.Ермолова /23/, /25/, а также /16/, /17/, /27/, /41/, /42/, /48/, /53/ и /55/, представляют наибольший интерес для конструкторов тентовых покрытий.
Одной из тем, представляющих наибольший интерес при исследовании материалов, с точки зрения данной диссертации, является определение физико-механических и прочностных характеристик тканей.
В настоящее время в Советском Союзе действует ГОСТ 3813-72 "Ткани и штучные изделия текстильные. Методы определения разрывных характеристик при растяжении". По этому стандарту определяются характеристики материалов под действием одноосного натяжения. Но в реальных покрытиях материал мягких оболочек в основном подвергается действию плоскостного напряженного состояния. Конкретные методы экспериментального исследования тканевых материалов в этом состоянии и результаты экспериментов представлены в исследованиях С.А.Алексеева и П.И.Кононенко /6/, М.И.Петровнина и С.Б.Вознесенского /54/, А.М.Смирнова /59/, Е.М.Удлера /62/, Е.Фриче /26/, дж.Малькольма, П.Глокнера /93/, Х.-В.Рейнхарта /99/, /100/ и др.
Необходимо отметить, что Е.Фриче, Дж.Малькольм, П.Глокнер, а также В.Н.Горцеев /21/ и К.М.Хуберян /72/ в своих статьях обращали внимание на свойство тканевых материалов мало сопротивляться сдвигащим силам. В /47/ В.Э.Магула делает вывод, что большое влияние на значения физических констант оказывает временной фактор - время, последовательность нагружений и их повторяемость. Н.С.Шелиховым и В.Н.Куприяновым сконструирована установка для испытания пленочно-тканевых материалов на многократное растяжение /74/.
Работ, посвященных исследованию нагрузок, действующих на тентовые покрытия, немного. На все виды тентовых покрытий оказывает влияние ветер, а на объекты, эксплуатируемые в зимних условиях, действует еще и вес снега. В практических расчетах таких конструкций вес самого покрытия из-за его малости в учет не берется. Если же вес учитывать (например, при утепленных ограждениях), то определение его несложно, так же как и определение любых технологических нагрузок.
Выводы анализа литературы и постановка задачи диссертации
В зависимости от типа покрытия тентовые конструкции можно разделить на две группы. В первом случае сама ткань тента образует поверхность покрытия и передает нагрузку на контур. Во втором случае ткань передает нагрузку на вантовую сеть, которая служит для передачи нагрузки на контур, а размеры ячеек сети определяют пролеты тканевых панелей. В зависимости от используемого материала, от покрываемых площадей, от характера и величины нагрузок выбирается тип конструкции покрытия.
В рамках данной работы рассмотрены следующие проблемы: 1) расчет тентово-вантовой конструкции при использовании первого типа покрытия; 2) расчет тканевой панели при втором типе покрытия (не учитывая взаимную работу ткани и поддерживающей сети).
Дія решения обеих задач необходимым является определение физико-механических характеристик ткани и вант.
В качестве контурных вант используют, как правило, стальные канаты. В поддерживающих и стабилизирующих сетях, кроме стальных тросов, могут быть применены также канаты из синтетических материалов. Механические характеристики перечисленных материалов приведены в нормативных документах.
Для создания тентовых покрытий в основном применяют текстильные материалы с покрытием из эластомеров или термопластов и без покрытия. Б качестве текстиля используют технические сотканные ткани или шитые ткани ("малимо"). В данной работе изучены механические свойства сотканных тканей и на основе этих свойств предложена методика расчета. Эта методика применима с некоторыми модификациями и для шитых тканей.
Одной из важнейших задач, связанных с расчетом тентовых покрытий, является численное описание свойств тканевых материалов. Ниже рассмотрена техническая модель тканевого материала.
Как показали испытания (см. пп. 3.1), способность ткани сопротивляться продольным усилиям в направлениях основы и утка значительно больше, чем в других направлениях. До выполнения данной работы в литературе не встречалось соответствующих параметров, определяющих сопротивление сдвигу существующих текстильных материй. В выводах исследований таких авторов, как В.Н.Гордеев /21/, Е.Фриче /26/, К.М.Хуберян /72/, Д.Мальколм и П.Глокнер /93/ сказано, что в сотканных тканях влияние сдвиговой жесткости незначительно. Сдвиговая жесткость ткани с покрытием, определяемая в основном малым по величине сопротивлением сдвигу материала покрытия, больше соответствующей величины ткани без покрытия.
В инженерных расчетах, принимая во внимание разные неучи тываемые в расчетах отклонения за счет несовершенства тканевых материалов, пренебрежение влиянием сдвигающих усилий можно считать оправданным.
Учитывая вышесказанное, расчетной моделью тканевой мате-нии выбрана нитевая сеть, нити которой проходят по направлениям основы и утка ткани и закреплены между собой в узлах сети. Нити сети принимаются физически нелинейными.
При составлении уравнений учитываются приведенные ниже допущения. 1. Собственный вес сети (ткани) не учитывается. Изменение геометрии от собственного веса зависит от натяжения ткани: чем больше натяжение, тем меньше влияние собственного веса. Практически это пренебрежение дает ошибку, стоящую в пределах точности определения механических характеристик материала. 2. Пренебрегаем изгибной жесткостью нитей (ткани). 3. Считаем, что нагрузка передается только в узлах сети.
В большинстве случаев геометрическая форма тентояо-ванто вых конструкций так сложна, что описание ее аналитически затруднено. Отсюда вытекает рациональность использования дискретных методов расчета.
Форма покрытия определяется координатами узлов сети, натянутой на контур. Варьирование формы покрытия при заданном конутре возможно путем подбора длины тросов, т.е. изменением раскроя ткани. Координаты узлов сети и усилия в отдельных ее отрезках определяются системой геометрических, физических уравнений и уравнений равновесия. При действии статической нагрузки в уравнения равновесия входят дополнительно компоненты внешней нагрузки.
Определение геометрии и деформативно-напря-женного состояния тентово-вантового покрытия в ненагруженном состоянии и под действием статической нагрузки
Ниже приводится описание тентово-вантовых покрытий, расчет которых проведен в рамках данной диссертации.
На рис. 2.3 изображена система тентовых оболочек, конструкция которых следующая: опоры с двумя вариантами высот, расположенные в плане в шахматном порядке; оголовки опор разных уровней соединены вантами, которые являются гибким контуром по отношению к тканевым покрытиям, натянутым между ними.
На рис. 2.4 изображена такая же система тентовых оболочек, но между оголовками коротких опор имеются натягивающие ванты. Последние по существу составляют тоже гибкий контур по отношению к ткани. В зависимости от уровня закрепления названных вант к опорам возникают разные по геометрии опорные узлы (рис. 2.6). В названных узлах должен быть спроектирован внутренний водоотвод.
На рис. 2.5 изображена одиночная оболочка, нижний контур которой жесткий и по конфигурации близкий к квадрату. Контурные ванты соединяют среднюю опору с углами жесткого контура.
Из представленных на рис. 2.3 и 2.4 систем квадратных в плане тканевых оболочек рассматривается внутренняя оболочка при воздействии симметричной по отношению к опорам нагрузки (сюда относится также ненагруженное поверхностными силами состояние). В этом случае вантовый контур рассматриваемых оболочек располагается только в вертикальной плоскости. При соблюдении симметричности нагрузки выполняется условие вертикальности контура и у оболочки, изображенной на рис. 2.5.
Координаты опор принимаются за известные и считается, что при загружении они не меняются. При условии симметричности нагрузки, описываемых в пункте 2.3.1, это предположение по отношению к опорам внутренних оболочек оправдано.
Если имеется дело с жестким контуром, то координаты закрепления нитей, имитируїоцих работу ткани, к контуру являются неизменяющимися. В практике это обеспечивается с помощью прикрепления ткани к жесткому краевому элементу.
В реальных конструкциях гибким контуром являются стальные тросы и канаты. Их соединение с тканевым покрытием может быть разным: 1. тросы не прикреплены к ткани тента; 2. тросы прикреплены через определенные промежутки к ткани; 3. тросы пропущены через специальные каналы.
Проход вант через каналы или их периодическое прикрепление исключает поперечное скольжение ткани по отношению к вантам. При этих вариантах прикрепления значительно уменьшается износ конструкции.
В продольном направлении ванты неподвижность ткани обеспечивается только трением, которое из-за его малости и необеспеченности в расчетах не учитывается. Если отсутствует трение, то усилие ванта по всей его длине постоянно. В зависимости от схемы несущих контурных вант можно различать два варианта их конструкции: 1. несущие ванты проходят через верхнюю опору 2. из верхней опоры исходят отдельные контурные ванты. Независимо от перечисленных вариантов конструкции, монтаж изучаемых покрытий производится так, что контурные ванты натягиваются определенной силой N на нижние опоры.
После достижения желаемого предварительного натяжения оболочек названные ванты могут закрепляться у опор. Б этом случае, при действии внешней нагрузки, усилие в вантах изменяется в зависимости от общего равновесия, от жесткости и силы преднапря-жения самой ванты.
Экспериментальное исследование модели тентового покрытия, натянутого вантовым контуром
Геометрия и общий вид модели изображены соответственно на рис. 3.15 и рис. 3.16. Несущими элементами модели являются ко-лонны, ванты и натянутая между ними ткань.
Так как продольные деформации в колоннах ничтожно малы по сравнению с вертикальными перемещениями вант и ткани, то точное их моделирование считалось ненужным. Колонны из стальных труб d = 50 мм, К верхнему концу средней колонны приварены стальные листы с отверстиями, к которым после предварительного натяжения модели с помощью болтов прикрепляются ванты. Для удобного на-гружения покрытия модель поднята на раму высотой 70 см от пола. Для обеспечения более стабильного уровня верхней точки колонн они опираются на жесткий бетонный пол. Но в связи с тем, что колонны модели длиннее реальных, несколько изменяется их кинематика при нагружении покрытия, особенно при нагружении несимметричной нагрузкой. Если горизонтальное перемещение верхнего конца колонны U= I см, то разница вертикального перемещения ЛWсоставляет 0,004 см. (Если U= 3 см, тогда AW=0,04 см). Так как действительные горизонтальные перемещения остаются меньше указанного в последнем примере, то возникающая погрешность пренебрежимо мала, и выбранное решение моделирования колонн вполне приемлемо.
Банты из стального каната О = 5 мм. Дяя увеличения жесткости конструкции ванты предварительно натянуты с помощью гирь, действующих через балочную систему. При данном эксперименте сила преднатяжения во всех вантах составила 490 Н. После достижения преднапряженного состояния модели, все ванты закреплялись при помощи специальных зажимов к средней колонне и к нижнему кону тур у.
В качестве ткани использован парусный лавсан (арт.53-093), физико-механические свойства которого представлены в подпункте 3.1. Раскройная форма тканевого полотна выбрана согласно построенной минимодели, изображенной на рис. 3.17. Ткань прикреплена к контуру по нижнему периметру и у концов колонн. К вантам ткань не прикреплена.
Геометрия тента такова, что во всех точках поверхности Гауссовая кривизна отрицательна. Это обеспечивает стабильность конструкции.
Отдельные части покрытия были нагружены в плане равномерно распределенной вертикальной нагрузкой по схемам, изображенным на рис. 3.18. Это было реализовано сосредоточенными грузами с шагом их приложения в плане 10 х 10 см. Нагрузка передавалась на ткань снизу при помощи проволочных тяг через круглые шайбы. Все схемы загружались при четырех значениях интенсивности, нагрузки: р = 245 Н/м2, р = 490 Н/м2, р = 735 Н/м2 , р = 980 Н/м2.
Определялись перемещения в одной секции покрытия (см. рис. 3.18), для чего были использованы прогибомеры Максимова. Определение деформаций ткани по методу сеток /49/ не дало ожидаемого результата, так как возникающие деформации остались в пределах точности измерения. сматриваемая поверхность поднимается. Этому явлению, а также относительно большим прогибам, способствует возможность поперечного скольжения ткани через вант.
Кроме того, необходимо отметить, что скольжением ткани через ванты значительно увеличивается износ тента. Поэтому в практике следует пропускать ванты через специальные каналы. Это повышает и жесткость конструкции в целом.
При эксперименте выяснилось, что открывание боковых поверхностей для устройства входа существенно изменяет схему работы сооружения. Затрудняется реализация преднапряженного состояния покрытия без складок. Для предотвращения этого явления необходимо устройство специального контура для входа и увеличение сил преднатяжения в контурных вантах.
Следует отметить, что конструкция очень подвижна. С одной стороны это выгодно, так как при больших перемещениях прирост усилий тента меньше, но в то же время прогибы могут оказаться до того большими, что ухудшаются эксплуатационные свойства сооружения, к тому же, при этом могут возникать нежелаемые складки в поверхности тента.
Для получения более выгодного решения с точки зрения статической работы конструкции необходимо уточнить раскрой ткани и использовать большую величину сил преднапряжения контурных вант, чем в данном эксперименте (490 Н, а в натуре масштаб раз больше).
В нагруженном состоянии покрытия, после удара по поверхности, наметилась его низкочастотная вибрация. Это явление указывает, что при расчете реалышх конструкций на воздействие ветровой нагрузки необходимо учитывать это обстоятельство,особенно при расчете покрытий, эксплуатируемых под снеговой нагрузкой.
