Главная|Контакты
ПОСЛЕДНИЕ ЗАПИСИ
Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Учебные заведения, находящиеся в признанных культурным наследием зданиях, возможно смогут...

06.09.16  В Королеве в октябре будет открыта пешеходная зона в технологическом стиле

31.08.16  Корпорация Технониколь открыла новый завод по производству минваты в Хабаровске

31.08.16  Отреставрированный корпус РЭУ им. Плеханова открыт

29.08.16  На строительство нового терминала аэропорта на Камчатке претендуют 4 инвестора

29.08.16  ЦАГИ включен в список объектов культурного наследия

28.08.16  На Северном Кавказе к 2017 году будет введен в экусплуатацию индустриальный комплекс

26.08.16  Жилой комплекс со спортивной инфраструктурой будет построен в Казани

26.08.16  В усадьбе "Константиново" откроется детский хоспис

25.08.16  Перинатальный центр на северо-западе Москвы в скоро времени будет построен

24.08.16  В ходе реставрации метро "Сокол" будут восстановлены исторические элементы

ТОП СТАТЕЙ
Опубликовано : 08.02.15 | Категория: Пневматические строительные конструкции
Пневматически напряженная сферическая оболочка в виде мяча, баллона, газгольдера и спутника является широко известной минимальной поверхностью, свойства которой в дальнейшем будут использоваться несомненно еще полнее. В 1844 г. в Париже французский инженер Maри-Монж создал из листовой меди толщиной 0,1 мм воздушный шар с наполнением водородом (рис. 5.1). Этот шар может рассматриваться как предшественник первого американского надувного баллонного спутника «Эхо-1» (рис. 5.2), который после выброса сложенной оболочки баллона из ракетоносителя приобретает сферическую форму благодаря расширению остаточного воздуха, заключенного в оболочке баллона.
Сферическая поверхность

Спутник снабжен устройством, содержащим смесь из бензойной кислоты (4,5 кг) и 9 кг антрахинона, которая, постепенно испаряясь в вакууме, как непрерывный источник газа поддерживает оболочку спутника в надутом состоянии. Оболочка спутника состоит из прозрачной блестящей полиэтилентерефталатной пленки толщиной 0,127 мм, которая для увеличения отражательной способности была подвергнута алюминизации способом напыления в вакууме. Диаметр оболочки равняется 30 ж и площадь поверхности 2800 м2. Оболочка состоит из 82 частей. Удельный вес пленки составлял 1,4 кг/дм3, а темпе-ратуростойкость была задана от -60 до +30° С. Прочность на разрыв составляла вдоль полотнища пленки 18—25 кг/мм2 и поперек 14—20 кг/мм2, в то время как удлинение при разрыве колебалось в обоих случаях от 50 до 130%. Оболочка спутника была уложена в форме сферы диаметром 107 см и заключена в контейнер из магниевого сплава, который помещался в головке трехступенчатой ракеты «Дельта-1» и выбрасывался спустя 2 мин после отделения третьей ступени ракеты.
Сферическая поверхность

Только в пространстве, лишенном силы тяжести, свободно парящий баллон может сохранять свою сферическую форму. Влияние собственного веса на форму зависит от внутреннего давления и особенно велико в слабо надутых баллонах. В еще большей степени это относится к баллонам, несущим полезную нагрузку. Такие оболочки при падении внутреннего давления отклоняются от сферической формы и приобретают форму капли, которая широко известна как традиционная форма воздушного шара. Для того чтобы нагруженную гондолу соединить с оболочкой воздушного шара по максимально большой площади во избежание концентрации напряжений, оболочку баллона обтягивают сеткой (рис. 5.3). Особенно отчетливо выражается каплеобразная форма воздушного шара, наполняемого горячим воздухом, внутреннее давление в котором в самой нижней точке равно нулю и возрастает к вершине шара. Баллоны для горячего воздуха имеют типичную каплевидную форму, аналогичную формам емкостей для жидкостей. Обычно стремятся избежать чрезмерного напряжения оболочки баллона внутренним давлением: это дает незначительный эффект и приводит к большим мембранным напряжениям, так что в большинстве случаев мирятся с незначительной жесткостью конструкции. Воздушное сопротивление сферической оболочки, полностью погруженной в ветровой поток, выражается формулой
W = Cn qF,

где
q — статическии напор;
F — площадь поперечного сечения шара;
Cn = 0,2 — аэродинамический коэффициент.
Величины коэффициента Cп, отнесенные к поверхности сферы, показаны на рис. 5.4. Сфера является телом с небольшим аэродинамическим сопротивлением.
Сферическая поверхность

Сфера, плавающая в воде, подвергается тем меньшему искажению, чем более она заполнена водой (рис. 5.5), что может быть полезно при создании резервуаров для питьевой воды. Как сильно напряженная пневматическая сферическая оболочка, окруженная со всех сторон водой или землей (рис. 5.6), так и оболочка, частично наполненная, скажем, песком (рис. 5.7) и используемая, например, для газгольдера, удерживаются на основании весьма благоприятным для мембраны способом. Сферы, устанавливаемые на весьма малой опорной плоскости, часто раскрепляются тросами. Положение свободно парящего баллона приближенно фиксируется тремя тросами (рис. 5.8), в особенности, если он крепится к некоторой седловидной мембране или тросовой сетке (рис. 5.9). Баллоны на раскрепленных стойках большой высоты (рис. 5.10) наиболее целесообразно крепятся к мачте с помощью внутренних связей или внутренних полотнищ, как это показано в сечении (рис. 5.11) на примере баллона для защиты радиотехнической аппаратуры. В резервуарах высокого давления для газа или жидких материалов (рис. 5.12) баллоны крепятся к морскому дну и заполняются с поверхности воды.
Сферическая поверхность

Плавающие баллоны небольших размеров могут нести плодородную землю с насаждениями на сетках или перфорированных пленках. На рис. 5.13 показаны: А — воздушный баллон из пластмассовой пленки, В — вентиль, С — пленка с отверстиями, D — песок, E — уровень воды, F — растительный слой, G — растительность. Высота уровня воды в грунте и влажность почвы регулируются путем большего или меньшего надувания баллонов.
Насаждения на плавающих полях позволяют сделать плодородными области, залитые водой.
Таким образом могут быть культивированы даже морские бухты, подвергающиеся воздействию отливов и приливов. Большие волны будут разбиваться о край плавающей сетки. В особенности при устройстве новых при-плотинных водохранилищ можно получить при незначительных затратах (6 дм/м2) значительные площади, пригодные для сельскохозяйственного использования. Еще до затопления местности плодородный слой переносится на всплывающее затем поле (рис. 5.14).
Сферическая поверхность

Стальные газгольдеры высокого давления представляют собой при отсутствии внутреннего избыточного давления жесткие пространственные конструкции-оболочки; при наличии же внутреннего давления они являются пневматически напряженными сферическими оболочками, которые в некоторых случаях подвергаются давлению до 200 атм. Возведение таких газгольдеров заключается в сварке сферической оболочки из отдельных стальных листов. В резервуарах следует по возможности избегать сосредоточенной нагрузки. Самое мягкое опирание газгольдера осуществляется в этом случае также с помощью воды. На рис. 5.15 стальной плавающий баллон центрируется и закрепляется шлангом. Резервуары высокого давления в настоящее время широко распространены в промышленности (рис. 5.16).
Сферическая поверхность

Шар, прикрепленный к основанию в одной точке, сильно деформируется ветром.
Эластичность материала мембраны оказывает сильное влияние на напряженное состояние, а также на деформацию сферической оболочки. Резиновый мяч ведет себя, как пружина. Он упруго деформируется под нагрузкой без значительного изменения внутреннего давления и напряжений.
Малоэластичная оболочка сохраняет под нагрузками свою форму, но в отличие от эластичной мембраны проявляет наклонность к образованию складок.
Сферическая оболочка удерживается от опрокидывания с помощью растяжек (рис. 5.17), которые должны прикрепляться к мембране по возможности в большем числе точек. Сфера, непосредственно не касающаяся опоры, анкеруется аналогичным же образом (рис. 5.18).
Подобно тросовым веерам работают мембраны, которые крепятся к сфере по контурам в форме окружности (рис. 5.19 и 5.20). Сфера может быть раскреплена в пространстве не менее чем четырьмя тросами.
Сферическая поверхность

Величина опорного контура сферы оказывает большое влияние на устойчивость. Надежное опирание обеспечивается подкладываемым под оболочку пневматически напряженным круговым кольцом (рис. 5.21).
Баллон на вершине мачты удерживается с помощью внутренних растяжек (рис. 5.22) или висит во внешнем веере из канатов (рис. 5.23). Канаты крепят или к мембране, или к двум взаимосвязанным канатным сеткам.
Часто стальные баллоны устанавливаются на стойках, но в местах опирания возникают большие мембранные напряжения; их можно избежать при опирании на тросовую сетку (рис. 5.24). Две тросовые сетки могут удерживать легкий баллон от опрокидывания (рис. 5.25).
Сферическая поверхность

Сферическая поверхность в космосе. Успехи ракетной техники в последние годы знаменуют начало проникновения человека в космос. Перед инженерами и архитекторами возникает множество новых задач.
Успешное решение всех проблем внеземного строительства является предпосылкой для существования человека в космосе, возможного только в том случае, если удастся защитить его от космического излучения. Самые высокие требования предъявляются также и ко всем материалам. Применение металлов, стойких к излучениям и температурам, не всегда возможно из-за значительного веса, а применение пластмасс вследствие их чувствительности к ультрафиолетовым и другим излучениям находится еще в стадии изучения.
В американском баллонном спутнике «Эхо-1» была сделана попытка защитить полиэтилен-терефталатную пленку напыленным алюминием.
Сферическая поверхность

Можно ожидать дальнейшего развития в области производства пленок, тканей, уплотняющих, защитных и изолирующих материалов, которые в соответствующих комбинациях будут отвечать новым требованиям.
Преодоление силы тяжести при транспортировке полезных грузов в космическое пространство связано с большими затратами энергии. В связи с этим можно думать только о легчайших конструкциях. Растянуто напряженные конструкции должны поэтому рассматриваться в первую очередь. Пневматические оболочки являются предпосылкой для восприятия большой разницы давлений. Человек при дыхании в течение длительного времени чистым кислородом нуждается во внешнем давлении минимум около 1/4 земной атмосферы. Любой космический корабль, любое внеземное сооружение или установка должны воспринимать нагрузку от такого давления, равную 2500 кг/м2. Конструкции в сложенном виде должны занимать возможно малое место, а в надутом состоянии — обладать максимальной надежностью. Пневматические конструкции с несколькими внешними оболочками и большим количеством внутренних перегородок обеспечивают большую надежность в отношении пробоин.
Сферическая поверхность

Сферические оболочки представляют значительный интерес вследствие особенно благоприятного распределения напряжений, а также в связи с тем, что они обладают наибольшим отношением внутреннего объема к площади поверхности. Могут использоваться и другие разнообразные формы (рис. 5.26). Разумеется, если дело дойдет до изменения условий, имеющихся на других планетах, — создавая на них защитные оболочки, можно получить климат, подобный земному. Первоначально же придется полагаться только на устройства, взятые с собой. В случае освоения планеты, лишенной кислорода, мы приходим к необходимости найти способ его производства. Очень часто рассматривается возможность получения кислорода с помощью водорослевых плантаций под пневматически напряженными куполами.
Небольшие сферические оболочки (рис. 5.27) могут легко объединиться в здание любой протяженности. Сферы, которые соединяются непосредственно друг с другом (рис. 5.28), не нуждаются в связывающих переходах. Однако последние могут оказаться весьма полезными, в особенности в тех случаях, когда они связывают пневматические формы из составленных вместе цилиндров (рис. 5.29) и обеспечивают большую безопасность сооружения при разрушении отдельных объемов здания (рис. 5.30). Из множества соприкасающихся друг с другом сфер с помощью тросов могут образовываться пространственные конструкции различных форм (рис. 5.31).
Медленно вращающийся спутник (рис. 5.32) состоит из пневматически напряженных сферических оболочек, связанных переходами цилиндрической формы.
Спутники, которые будут использоваться как рефлексирующие поверхности для земного радиовещания, должны обладать возможно большей поверхностью (рис. 5.33). На сечении (рис. 5.34) и общем виде (рис. 5.35) показан рефлексионный спутник со сферической центральной кабиной и внешним пневматическим кольцом, растягивающим и напрягающим алюминиевую фольгу. В качестве напрягающей конструкции для пленки могут быть использованы также внешние грузы или сферические кабины (рис. 5.36). Вследствие перемещения масс на периферию положение мембраны в пространстве строго определяется гироскопическим эффектом. Тонкий стержень, работающий на сжатие, раскрепленный от потери устойчивости тросами, соединяет два сферических объема искусственного спутника (рис. 5.37). Из бесчисленного множества возможных конструктивных форм здесь приведены эскизы только нескольких.
Сферическая поверхность

Перед архитекторами ставится задача приспособить космическое пространство к длительному проживанию людей. Это должно достигаться не только созданием технических предпосылок, но также возможно более полным учетом всех физических и моральных проблем, стоящих перед космическим путешественником.
В сфере с тройной внешней оболочкой отдельные оболочки упруго связаны между собой в нескольких местах (рис. 5.38). При одинаковом сопротивлении диффузии воздушное давление в полостях понижается при движении наружу. Каждая из трех мембран в связи с этим почти одинаково напряжена внутренним давлением.
В случае разрыва (рис. 5.39, см. стрелку) давление под наружной оболочкой падает, средняя мембрана прижимается внутренним давлением к месту разрыва и закрывает его.
При повреждениях во всех трех оболочках, которые могут возникнуть, например, при попадании небольших метеоритов, автоматическая герметизация может быть достигнута умелым расположением слоев в многослойной оболочке.
Двойные оболочки (рис. 5.40—5.41) с тросовыми связями во внутренних полостях обладают высокой стабильностью, подобно сферическим оболочкам из четырех слоев (рис. 5.42), связанным между собой в точках или по линиям. При увеличении числа слоев в оболочке надежность конструкции повышается, в особенности в тех случаях, когда связи в виде точек или линий предусматриваются смещенными одна относительно другой (рис. 5.43).
Сферическая поверхность

Конструктивная надежность в космическом пространстве оболочек, в которых помещаются люди, должна быть особенно высокой. Много-
слойные оболочки в соединении с ячеистым разделением внутреннего пространства обеспечивают большую защиту от повреждения внешней оболочки, а также способствуют лучшей работе конструкций под нагрузкой.
Другим примером применения многослойных сферических оболочек может служить установка для приема и использования космических лучей, в которой три пневматически напряженные сферические оболочки (рис. 5.45 и 5.46), вращаясь вокруг общей оси, могут смещаться одна относительно другой. Внутренняя оболочка имеет частично зеркальное покрытие, а наружные оболочки имеют отражающие покрытия по половине площади своей поверхности. Проникающее внутрь излучение может точно регулироваться (рис. 5.47—5.49).
При применении пневматически напряженной пневматической оболочки для излучателя (рис. 5.44) внутренняя поверхность оболочки делается отражающей. Сам излучатель устанавливается не на жесткой оси, а раскрепляется внутренними растяжками.
Покрытие с трехслойной оболочкой из соображений большей надежности может оборудоваться трехступенчатым воздушным шлюзом (рис. 5.50). Точками показано распределение давления во внутренних полостях сооружения. Такие защитные мероприятия в сооружении необходимы для обеспечения длительного существования в нем людей. Поскольку о действительных условиях на других планетах на сегодняшний день известно пока очень мало, мы еще не можем определить наиболее благоприятную форму для жилой кабины. Можно представить себе сферические оболочки, соединенные в свободно парящие в пространстве структуры или установленные на лунной поверхности (рис. 5.51),
причем с помощью промежуточных перекрытий, состоящих из пневматических подушек с внутренними связями из тросов (рис. 5.53), могут создаваться многоэтажные здания (рис. 5.52, 5.55). Если промежуточные перекрытия подвешиваются на тросах, то возникает специфическая форма (рис. 5.54), напоминающая форму расплывшейся капли.
Особые защитные мероприятия необходимы в конструкциях космических скафандров. Когда мы имеем дело с космическими оболочками больших размеров, весьма желательно придавать им жесткость за счет внутреннего давления. Однако, чтобы не затруднять движения, космический скафандр должен быть по возможности гибким. В связи с этим сферические элементы (рис. 5.56 и 5.57) скафандра соединяются друг с другом гибкими резиновыми кольцами или поверхность скафандра выполняется в форме волнистой пневматической поверхности (рис. 5.58 и 5.59). На разрезе (рис. 5.60) показаны: А — внешняя оболочка; В — средняя оболочка; С — внутренняя мембрана, D — теплоизолятор, E — слой, компенсирующий давление и регулирующий влажность, F — ткань.
О раскрое сферических поверхностей. Оболочки в форме сферы или части сферы являются двоякоизогнутыми. В общем случае такие оболочки изготовляются из гибких, но малодеформируемых пленок или тканей, которые могут изгибаться только в одном направлении.
Чтобы получить сферическую поверхность, необходимо разбить ее на малые участки, для которых мембрана может рассматриваться как плоская или изогнутая только в одном направлении. Чем менее деформируем материал, тем на большее число участков должна разбиваться оболочка. Сфера из резиновой пленки может изготовляться из значительно меньшего числа частей, чем в случае применения стеклянной ткани. Эти элементы поверхности могут иметь различную форму. Наиболее часто употребляется линзовидная, треугольная или трапецеидальная форма. Для оболочек с пространственной кривизной края таких элементов имеют криволинейное очертание.
Напряженное состояние, при котором по всем направлениям имеются равные напряжения, влияет определенным образом на раскрой сферической поверхности. На оболочке нельзя выделить преимущественных направлений. При применении тканей направление нитей не может произвольно ориентироваться по отношению к швам. Если применяется очень дорогой материал, то, естественно, стремятся к меньшим отходам при раскрое. Если большую часть стоимости составляет изготовление оболочек, то стремятся к уменьшению длины швов.
Сферическая поверхность

Разбивка сферы меридианами (рис. 5.61) приводит к небольшому количеству швов, обеспечивает хороший внешний вид, однако связана с большими отходами материала, как это видно на примере выкройки отдельной детали из полотнища ткани (рис. 5.62).
При раскрое на полосы, идущие в широтном направлении (рис. 5.63), каждый широтный пояс составляется из трапецеидальных кусков. Этот метод обеспечивает экономичность раскроя и имеет также то преимущество, что длина возможного разрыва от шва до шва невелика, однако приводит к большой длине швов.
Разбивка сферы на равные по площади части (рис. 5.64) может доводиться максимально до 120 одинаковых частей треугольной формы (рис. 5.65).
Б. Фуллер для своих сферических структур провел большие исследования по разбивке сферических поверхностей. В зависимости от по ставленной задачи можно применять различны методы раскроя.
Вес части оболочки часто бывает значительным. Так как существуют плотные герметичные соединения, большую оболочку можно разбить на отдельные части и затем смонтировать. Части оболочки площадью более 600 м2 требую применения специальных монтажных средств так как вследствие большого веса обращение с ними становится весьма затруднительным.
Похожие новости