ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  И  ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  НЕЛИНЕЙНОГО  МЕМБРАННО-ПНЕВМАТИЧЕСКОГО  СООРУЖЕНИЯ

Толеков  Мовлит  Абдулгафурович

студент  3  курса,  САДИ,СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.,  РФ,  г.  Саратов

E-mail :  movlit_tolekov@rambler.ru

Ким  Алексей  Юрьевич

научный  руководитель,  д-р  техн.  наук,  профессор,  ТСК,  СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.,  РФ,  г.  Саратов

Автором  статьи  вместе  со  своим  научным  руководителем  профессором  кафедры  ТСК  Саратовского  государственного  технического  университета  имени  Гагарина  Ю.А.  провел  экспериментальное  и  теоретическое  исследование  воздухоопорных  и  линзообразных  мембранно-пневматических  сооружений  универсального  назначения,  обладающих  высокими  технико-экономическими  показателями.

Численное  исследование  различных  видов  линзообразных  сооружений  было  проведено  по  программе,  составленной  на  языке  Visual  Basic  [3,  4].

Данные  численного  исследования  были  сопоставлены  с  экспериментальными  данными,  которые  были  получены  научным  руководителем  автора  статьи  на  модели  пневматического  линзообразного  сооружения  изготовленного  в  масштабе  1  к  100.  Эти  экспериментальные  исследования  были  проведены  в  лаборатории  кафедры  «Теоретическая  механика  и  ТММ»  Саратовского  государственного  аграрного  университета  им.  Н.И.  Вавилова.

Учитывая  экономический  кризис,  который  охватил  весь  мир,  разработка  новых  видов  пневматических  сооружений  и  их  разновидности  линзообразных  сооружений,  которые  характеризуются  экономической  эффективностью  по  сравнению  с  традиционными,  являются  очень  актуальными. 

Со  дня  своего  появления  в  1949  году  пневматические  сооружения  получили  большое  развитие  как  складские,  спортивные,  а  также  предназначенные  для  нужд  МЧС  и  госпиталей.  В  настоящее  время  таких  сооружений  на  всех  континентах,  включая  Антарктиду  [7].

Ученые  США  на  станции  Литл  Америка  по  заказу  NASA  испытывают  с  2008  года  пневматическое  сооружение  на  действие  низких  температур.  Развитие  строительства  с  учетом  современных  достижений  требует  повышения  эффективности  сооружений  при  экономии  затрат  за  счёт  внедрения  прогрессивных  конструкций  и  улучшения  эксплуатационных  качеств.

Мембранно-пневматические  системы,  как  показал  международный  опыт  строительства  сооружений  в  течение  последних  десятилетий,  относятся  к  прогрессивным  конструкциям.  Это  облегчённые  большепролетные  системы  сооружений,  которые  всё  чаще  возводятся  в  мире.  Теория  расчета  таких  сооружений  находится  ещё  в  стадии  разработки.  Сложилась  ситуация,  в  которой,  с  одной  стороны,  ощущается  необходимость  в  создании  облегчённых  и  экономичных  большепролётных  сооружений  для  промышленности,  сельского  хозяйства,  министерства  обороны,  МЧС  и  так  далее,  а,  с  другой  стороны,  несмотря  на  успехи  и  значительную  работу,  проделанную  учёными  в  области  проектирования  таких  сооружений,  проявляется  несовершенство  теории  расчёта,  а  именно:  недостаточная  разработка  способов  расчёта  пространственных  мембранно-пневматических  систем;  необходимость  учёта  упругих  свойств  воздуха  в  пневматических  полостях  сооружений;  потребность  в  учёте  геометрической,  физической  и  конструктивной  нелинейности  систем.

Стоимость  линзообразных  мембранно-пневматических  сооружений  примерно  на  20  %  превышает  стоимость  аналогичных  воздухоопорных  сооружений,  которая,  по  данным  американской  фирмы  “Эйртех”,  колеблется  в  зависимости  от  размеров  сооружения  и  составляет  от  30  до  15  долларов  на  кв.  м,  падая  с  увеличением  пролетов.  При  прочих  равных  условиях  стоимость  пневматических  сооружений  примерно  в  два-три  раза  ниже  стоимости  традиционных  сооружений.  Уменьшение  же  нагрузки  на  пневматические  покрытия  за  счёт  принудительного  таяния  снега  снижает  стоимость  пневматических  покрытий  в  пять  раз  и  более  [5].

Эксплуатационные  расходы  складываются  из  стоимости  электроэнергии,  затрачиваемой  на  поддержание  избыточного  давления  воздуха  в  замкнутой  полости  пневматического  сооружения  и  стоимости  топлива  на  обогрев  помещений  в  холодное  время  года.  В  первом  случае  расходы  составляют  несколько  сотен  долларов  в  год,  во  втором  случае  -  несколько  тысяч  долларов.

Строительство  пневматических  сооружений  в  Европе  отстаёт  от  их  строительства  в  США  и  Японии.  Например,  в  2011  году  мембранно-пневматических  сооружений  (теннисных  кортов,  складов,  выставочных  павильонов,  спортивных  комплексов,  бассейнов  и  т.  д.)  построено:  в  Голландии  —  56,  в  Германии  —  41,  во  Франции  —  12,  в  Великобритании  —  7,  и  в  Бельгии  —  6  сооружений  и  т.  д.

В  России  в  2011  году  построены  несколько  больших  теннисных  кортов  размерами  в  плане  48  х  36  м  в  Москве,  Сочи  и  Санкт-Петербурге,  и  один  в  Ханты-Мансийске  —  72  х  36  м.  На  рис.  1  показан  интерьер  такого  пневматического  сооружения  спортивного  назначения.

В  настоящее  время  в  России  имеется  несколько  предприятий,  выпускающих  мембранно-пневматические  сооружения:

1.  ОАО  «Ярославрезинотехника»,  выпускающее  пневмокаркасные  сооружения  модульного  типа  для  МЧС;

2.  Уфимский  завод  эластомерных  конструкций,  выпускающий  пневмокаркасные  быстровозводимые  модули  и  воздухоопорные  сооружения  с  металлокаркасом;

3.  Московская  фирма  «ГлавВоздухСтрой»,  строящая  мембранно-пневматические  сооружения;

4.  Московская  фирма  «Центр  развития  спортивных  технологий»,  возводящая  воздухоопорные  и  мембранно-пневматические  сооружения.

При  этом  цены  на  воздухоопорные  сооружения  летом  2012  г.  были  следующими:

1.  размеры:  19  х  35  х  7  м,  цена  —  57280  дол.  США; 

2.  размеры:  35  х  50  х  10,5  м,  цена  —  85420  дол.  США; 

3.  размеры:  35  х  65  х  10,5  м,  цена  —  108520  дол.  США. 

В  середине  70  годов  прошлого  века  сложилась  следующая  статистика  областей  применения  пневматических  сооружений  в  СССР:  складские  помещения  —  55  %,  спортивные  сооружения  —  25  %,  выставочные  павильоны  и  укрытия  строительных  площадок  —  15  %,  военные  объекты  —  5  %.

Главными  свойствами  пневматических  конструкций  стали  быстрота  их  монтажа  и  демонтажа,  без  учета  времени,  необходимого  для  расчистки  и  планировки  площадки;  монтаж  пневматического  здания  можно  произвести  за  несколько  часов.  Их  транспортабельность  и  мобильность  дают  возможность  за  один  день  разобрать  сооружение,  перебросить  на  машинах  за  сотни  километров  и  снова  возвести  его.

Многооборачиваемость,  благодаря  полному  заводскому  изготовлению  и  полной  комплектации  сооружения,  способствует  тому,  что  данное  сооружение  может  быть  использовано  многократно,  практически  сотни  раз.

Одно  из  главных  достоинств  пневматических  сооружений  —  возможность  перекрытия  больших  пролетов  за  короткий  срок.  Например,  современные  материалы  позволяют  возвести  купол  диаметром  до  75  м  для  хранения  боевой  техники  или  техники  МЧС  или  для  размещения  небольшого  ремонтного  завода  в  боевых  условиях  в  течение  одного  дня.

За  последние  20  лет  возросла  долговечность  пневматических  конструкций.  В  настоящее  время  изготавливаются  пневматические  сооружения,  где  силовой  основой  оболочки  служит  стеклянное  волокно  с  тефлоновым  покрытием.  Срок  службы  такого  сооружения  составляет  25  лет.  За  это  время  пневматическое  сооружение  обычно  окупает  себя  несколько  раз.

  Современное  воздухоопорное  пневматическое  сооружение  обычно  содержит  воздухонагнетательный  вентилятор,  который  может  быть  совмещён  с  теплогенератором,  шлюзы  и  гибкую  оболочку,  закреплённую  по  контуру  и  образующую  полость  с  избыточным  давлением  воздуха.

В  линзообразных  пневматических  покрытиях  сооружений  наличие  воздуходувной  машины  также  обязательно.  Обычно  это  работающий  от  щелочного  аккумулятора  центробежный  вентилятор,  который  служит  для  периодической  подкачки  воздуха  в  герметически  замкнутую  полость  покрытия.  В  отличие  от  воздухоопорных  сооружений,  в  которых  избыточное  давление  воздуха  создается  в  помещении  между  оболочкой  и  полом,  линзообразные  сооружения  не  требуют  герметизации  внутреннего  помещения  и  устройства  шлюзов.  Мембраны  покрытия  могут  быть  изготовлены  из  металла  или  из  синтетического  светопрозрачного  материала  [1].

Рисунок  1.  Интерьер  пневматического  сооружения  с  линзообразным  покрытием

Проведённое  авторами  статьи  исследование  статической  работы  линзообразного  мембранно-пневматических  сооружения  на  модели  (рис.  2,  3)  базируется  на  теории  подобия  [2,  6].

Подобие  объектов  соблюдается  лишь  при  взаимосвязи  между  значениями  соответствующих  масштабов  и  физических  величин.  Если  система  уравнений  равновесия,  описывающая  работу  сооружения,  составлена,  то  условия  подобия  сооружения  и  модели  могут  быть  получены  наиболее  корректным  путем  —  методом  критериального  анализа  размерности  уравнений.  Для  получения  условий  подобия  объектов  авторами  из  физических  величин  уравнений  равновесия  составлены  безразмерные  комплексы.  Сочетание  величин,  образующих  безразмерный  комплекс,  позволило  получить  критерии  подобия.  Необходимым  же  условием  моделирования  работы  сооружения  является  соблюдение  всех  критериев  подобия,  полученных  на  основе  анализа  размерности  уравнений.

Принимая  за  натурное  сооружение  типичное  линзообразное  мембранно-пневматическое  покрытие  с  мембранами,  выполненными  из  стеклоткани  с  тефлоновым  покрытием,  по  критериям  подобия  находим,  что  соответствующая  модель  покрытия  может  быть  выполнена  с  мембранами  из  плёнки  ПВХ.

При  размерах  покрытия  сооружения  в  плане  210  *  70  м  модель  покрытия  имеет  размеры  в  плане  2,10  *  0,70  м.  Масштаб  изменения  геометрических  размеров  реального  сооружения  составляет  для  модели  1:100.

Собственный  вес  и  внешние  нагрузки  на  верхнюю  и  нижнюю  мембраны  модели  находятся  в  тех  же  пропорциях,  что  и  в  реальном  сооружении.  Соотношение  жесткостей  мембран  сооружения  и  модели  равно  соотношению  величин  соответствующих  пролетов.  Интенсивность  внешней  вертикальной  нагрузки  и  интенсивность  избыточного  давления  воздуха  в  покрытии  модели  равны  соответствующим  интенсивностям  нагрузки  и  давления  воздуха  в  реальном  сооружении.

Рисунок  2.  Линзообразное  перекрытие  торгового  комплекса  в  Западной  Германии

Рисунок  3.  Модель  линзообразного  покрытия  пневматического  сооружения

Модель  покрытия  сооружения  представляет  собой  пневмолинзу,  выполненную  из  плёнки  ПВХ  в  виде  прямоугольной  в  плане  подушки  с  размерами  2,10  *  0,70  м  ,  закреплённой  в  опорном  контуре.

Модуль  упругости  плёнки  ПВХ  -  Е  =  Е₂  =  6000  Н/м,  прочность  на  растяжение  R  =  1  кН/м,  масса  плёнки  g  =  g₂  =  1  Н/м²,  толщина  плёнки  d  =  0,15  мм.

  Опорный  контур  представляет  собой  деревянную  конструкцию,  состоящую  из  нижней  и  верхней  горизонтальных  рам  сечением  50  *  20  мм.

Нижняя  рама  по  углам  оперта  на  вертикальные  стойки  сечением  50  *  50  мм,  с  которыми  она  жёстко  скреплена.  Между  верхней  и  нижней  рамами  располагаются  края  нижней  и  верхней  мембран,  зажатые  посредством  86  металлических  болтов  d  =  4  мм.

В  полость  между  мембранами  закачан  воздух  с  избыточным  давлением  p  =  130  Па.  Воздух  в  пневмолинзу  подается  через  ниппель  при  помощи  насоса.  Обеспечение  заданного  уровня  давления  воздуха  в  пневмолинзе  достигается  при  помощи  манометра,  располагаемого  снаружи  пневмолинзы  (рис.  3.1)  и  представляющего  собой  U-образную  стеклянную  трубку.  Модель  покрытия  устанавливается  на  жесткое  основание.

Для  удобства  проведения  замеров  модель  покрытия  снабжена  измерительной  деревянной  рамой,  выполненной  из  реек  сечением  50  *  20  мм.

Анализ  результатов  исследований  показал,  что  различия  между  экспериментальными  и  теоретическими  значениями  прогибов  сооружения  и  его  модели  составляют  (5—14)  %  для  локальных  нагрузок  и  (3—8)  %  для  распределенных  по  всему  пролету,  т.  е.  расчетных,  нагрузок.  Наименьшие  значения  расхождений  —  (3—5)  %,  относятся  к  несущей  мембране.  Давление  воздуха  в  пневмолинзе  определяется  с  погрешностью,  равной  (1—2)  %  (См.  таблицу  1).

Рисунок  4.  Фрагмент  испытания  модели  линзообразного  сооружения  на  подкачку  воздуха

Таблица  1. 

Сравнение  результатов  ,полученных  от  различных  видов  нагрузки

Проведена  проверка  сопоставимости  результатов  экспериментального  и  численного  моделирования  линзообразного  мембранно-пневматического  покрытия  натурного  сооружения  L  =  70  м  при  действии  нагрузки,  равномерно  распределенной  по  всему  пролёту.  Различия  в  сопоставляемых  результатах  показаны  в  таблице  2.

Таблица  2. 

Сопоставимость  результатов,  полученных  при  численных  и  экспериментальном  исследованиях

Расхождения  в  экспериментальных  и  теоретических  прогибах  напрягающей  мембраны  покрытия  модели  обусловлены,  в  основном,  неточностями  замера  прогибов.  Несмотря  на  высокую  точность  применяемых  при  больших  перемещениях  индикаторов  Аистова,  в  местах  прикрепления  тонкой  проволоки  к  мембране  образовывалась  воронка.  Высота  воронки,  несмотря  на  местное  усиление  гибкой  пленки  круглой  пластинкой,  изменялась  при  малейших  перемещениях  нагрузки,  внося  в  измерения  некоторую  погрешность.  Напрягающая  мембрана,  однако,  не  столь  ответственна  как  несущая.

Проведённая  автором  экспериментальная  проверка  сравнительно  небольших  прогибов  несущей  мембраны  покрытия  при  помощи  контактных  индикаторов  Максимова  различия  практически  не  показала.

Несомненно  и  то,  что  подобный  эксперимент  был  бы  проведён  более  корректно,  если  бы  нагрузка  создавалась  при  помощи  пневматической  установки,  а  измерения  производились  бы  бесконтактным,  например  оптическим,  способом.  К  сожалению,  такой  эксперимент  слишком  дорогостоящий.

Важным  является  то,  что  результаты  эксперимента  подтверждают  те  выводы,  которые  сделаны  в  работе  на  основе  численного  исследования  нелинейных  линзообразных  систем  в  соответствии  с  математической  теорией.

Отметим,  что  существенное  различие  в  приращениях  давления,  полученных  экспериментально  и  расчётом  по  технической  теории,  основанной  на  линеаризации  исходных  уравнений,  говорит  о  недостаточной  точности  технической  теории.  Вместе  с  тем  этот  же  факт  свидетельствует  в  пользу  деформационной  теории,  основанной  на  эквивалентной  линеаризации  уравнений,  согласно  которой  давление  в  пневмолинзе  p  =  144  мало  отличается  от  результата  эксперимента.

Обратим  внимание  и  на  то,  что  здесь,  как  и  выше,  техническая  и  деформационные  теории  упоминаются  автором  как  концепции.  На  протяжении  десятилетий  они  являлись  традиционными  при  расчёте  воздухоопорных  систем  и  в  общем  позволяли  проектировщикам  рассчитывать  и  линзообразные  пневматические  системы.  Автор  статьи,  учитывая  мировую  экономическую  ситуацию,  надеется  ,  что  данные  сооружения  займут  достойное  место  в  ряду  быстровозводимых  сооружений  универсального  назначения.

Список  литературы:

1.Ермолов  В.В.  Воздухоопорные  здания  и  сооружения.  М.:  Стройиздат,  1980.  —  304  с.

2.Ким  А.Ю.  Патент  РФ  №  2095534  от  10.11.1997  г.  Мембранно-каркасное  пневматическое  сооружение.  РОСПАТЕНТ  РФ,  М.,  1997.  —  16  с.

3.Ким  А.Ю.  Расчет  мембранно-пневматических  систем  с  учетом  нелинейных  факторов.  Книга  1.  Континуальные  расчетные  схемы.  Саратовский  государственный  аграрный  университет,  Саратов,  2000.  —  198  с.  Монография  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  24.04.00  №  1148-  В2000.

4.Ким  А.Ю.  Расчет  мембранно-пневматических  систем  с  учетом  нелинейных  факторов.  Книга  2.  Дискретные  расчетные  схемы.  СГАУ,  Саратов,  2000.  —  129  с.  Монография  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  29.05.00  №  1547-  В2000.

5.Ким  А.Ю.  Численное  исследование  нелинейных  мембранно-пневматичес-ких  систем.  СГАУ,  Саратов,  2001.  —  263  с.  Монография  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  28.04.01  №  1122-  В2001.

6.Ким  А.Ю.,  Нургазиев  Р.Б.  Расчёт  пространственных  мембранно-стержневых  систем.  СГАУ,  Саратов,  2001.  —  201  с.  Книга  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  31.08.01  №  1916-  В2001.

7.Ким  А.Ю.  Статический  и  динамический  расчёт  воздухоопорных  и  линзообразных  мембранно-пневматических  систем.  Саратовский  государственный  аграрный  университет  им.  Н.И.  Вавилова.  Монография  деп.  в  ВИНИТИ  РАН  №  909  В2003  от  12.05.03.  —  308  с.