Этим полезным советом мы начинаем серию статей, посвященных напряженным конструкциям. Можно сказать что их родоначальниками являются Фрей Отто и Фридрих-Карл Шлейер, выпустивших несколько книг в середине XX-го века. Статьи будут написаны больше техническим языком. Отдельно хотим сказать спасибо компании Кубаньтент за помощь с данной серией статей.
Общая классификация конструкций.
Несущая способность в отношении сил и моментов. Силы и моменты могут передаваться по телу от одной точки к другой; они могут действовать вдоль известных линий или прикладываться в отдельных точках.
Натянутый трос обладает несущей способностью в отношении растягивающего усилия. Вал мотора и балка обладают способностью к восприятию моментов. Скала или здание давят своим весом на основание. Самолет опирается на массу воздуха, отбрасываемую вниз.
Центробежная сила, действующая на естественный или искусственный спутник, противодействует силе притяжения Земли.
Конструкцией называли первоначально сооружение. Термин «структура» также обозначает сооружение, но теперь он применяется в более широком смысле.
Способность воспринимать усилия и моменты наблюдается в макро- и в микрокосмосе, в мире живой и мертвой природы. Если конструкциями пользуется человек, принято говорить, что это — технические конструкции. Растения и тела животных могут быть отнесены к «живым конструкциям».
Все предметы и явления, в которых человек использует способность воспринимать усилия и моменты: камень, поверхность земли, воздух, вода, различные элементы, относятся, с этой точки зрения, к конструкциям.
О классификации конструкций.
Конструкции являются средством для восприятия сил и моментов.
Силы и моменты воспринимаются материалом конструкции. Конструкция, следовательно, материальна, вещественна. Впрочем, восприятие сил и моментов возможно и без помощи вещественного тела, например, с помощью магнитных воздействий. В этом случае конструкция невещественна.
В строительстве невещественные конструкции имели раньше очень малое значение.
Классические строительные конструкции возводят при помощи твердых материалов, которые сохраняют форму. Однако сегодня все шире применяются в качестве конструкционных не имеющие определенной формы жидкие и газообразные материалы.
Многие строительные материалы сохраняют свойства твердого тела до определенной величины нагружения и температуры, за пределами которых они становятся легкодеформируемыми. Такие материалы называются пластическими,
Напряженные состояния растяжения, сжатия и изгиба. Силы и моменты, воспринимаемые материалом конструкции, воздействуют на него различным образом.
Наиболее просто материальные конструкции различаются по виду их напряженного состояния. Мы различаем конструкции, работающие на растяжение, сжатие и изгиб.
Напряженное состояние растяжения — следствие способности материала сопротивляться растягивающим усилиям.
То же может быть отнесено к случаю работы на сжатие. В обоих случаях напряженное состояние тела обусловливается приложением сил. Изгибное напряженное состояние также может рассматриваться как результат действия растягивающих и сжимающих сил, но такой подход не дает точной действительной картины изгибного напряженного состояния тела.
Изгибное напряженное состояние — моментное. Моменты различных видов воспринимаются благодаря способности материала сопротивляться воздействию моментов.
В чистом виде моментное напряженное состояние возникает, когда отсутствует всякое дополнительное нагружение сжимающими или растягивающими силами. Нагрузка в виде пары сил также вызывает моментное напряженное состояние, однако сдвигающие усилия относятся к виду силовых воздействий.
Часто один элемент строительной конструкции испытывает воздействие напряжений различного характера - в этом случае говорят о сложном напряженном состоянии.
В невещественных конструкциях можно установить соответствие растягивающих усилий притяжению, сжимающих усилий отталкиванию. Вращение поля можно сравнить с моментным напряженным состоянием.
Одно-, двух- и трехосное напряженное состояние. Одновременно с существованием различного характера нагружения (растяжение или же сжатие/изгиб) известно нагружение сразу в нескольких направлениях.
Одноосное или линейное напряженное состояние - усилия действуют исключительно в одну сторону (направление). Так, растянутый трос напряжен практически одноосно.
В случае когда усилия в теле действуют сразу в 2-х направлениях, принято говорить о двухосном (плоском) напряженном состоянии. Так, мембрана барабана испытывает двухосное напряжение.
Плита может быть нагружена моментами в 2-х направлениях или подвергаться двухосному сжатию. Напряжения в разных направлениях могут различаться также по величине и характеру. В тонких гиперболических параболоидных оболочках часто наблюдается растяжение в одном направлении и сжатие в другом.
Трехосное напряженное состояние называют также пространственным. Любой твердый материал может как растягиваться, так и сжиматься во всех направлениях.
Известно, что при всестороннем сжатии материалы могут нагружаться весьма сильно. Жидкости являются практически несжимаемыми. Газы также могут воспринимать большие давления и сжиматься вплоть до перехода в жидкое состояние.
Жидкости и газы не воспринимают одноосного или двухосного нагружения, как и трехосного неравномерного (вязкие жидкости и пластичные материалы могут испытывать неравномерное напряжение лишь ограниченное время)
В твердых телах возможны любые комбинации напряжений.
Масса и ускорение.
При воздействии сил или моментов масса испытывает ускорение. Движущаяся масса при движении сопровождается работой сил или моментов. Эти силы или моменты могут противодействовать некоторым другим, и в этом проявляется способность массы к восприятию сил или моментов.
Системы несущих конструкций. Наряду с характером напряженного состояния сами конструкции отличаются также по виду несущей системы: с протяженностью в 1-м направлении (линейные), в 2-х направлениях (двумерные или плоские), а также трехмерные или пространственные, системы.
Если система подвержена преимущественно какому-нибудь одному виду напряжения, например растяжению, она называется основной системой в отличие от смешанных, которым присуще неоднородное напряженное состояние.
Линейно напряженные системы.
Они развиваются в одном направлении, два же других измерения малы. Здесь концентрация происходит вдоль прямой, кривой или же ломаной линии. Пример - гибкий трос. Площадь поперечного сечения, необходимая для восприятия силы, стремится к нулю с ростом прочности материала на разрыв.
К такому же типу систем можно отнести прямые или кривые балки, воспринимающие момент, хотя в большинстве случаев они имеют достаточно развитое поперечное сечение. Напряженные прямые или изогнутые стойки, способные воспринимать сжимающие усилия, также относятся к линейным несущим системам.
Растянуто напряженный трос, изгибаемая балка и сжатая стойка являются примерами основных систем линейно протяженных конструкций. В противоположность этому ствол дерева, который кроме веса кроны должен также воспринимать момент от ветровых нагрузок, может стать примером линейно протяженной смешанной системы.
Двумерные несущие системы или оболочки.
Для оболочек характерно, что два их измерения велики, а третье мало. Материал образует поверхность, возможно плоской или же иметь одинарную или двоякую кривизну. Кроме того могут быть складчатые поверхности.
Двумерная система может быть напряжена одноосно, как, например, преимущественно бывает напряжена стена здания или свод с одинарной кривизной, плита или же висячее покрытие.
Несущая конструкция, развитая в двух на-правлениях, может состоять из линейных элементов. Данные системы чаще всего напряжены одноосно.
Пример - тросовая сетка, балочная клетка или решетчатый купол. Такие структуры представляют собой основные системы одноосно напряженных конструкции, выполненные из линейных элементов.
Пример напряженных конструкции - тенты, здесь вы можете подобрать для себя тентовые конструкции.
