Данная статья является продолжение новой серии полезных советов, предыдущую часть можно прочитать здесь.
Мембрана представляет собой напряженно гибкою оболочку. Она не обладает изгибной жесткостью и работает только на растяжение. Может быть плоского или изогнутого вида.
Плиты или пластинки представляют собой плоские жесткие структуры, развитые в двух направлениях. Они могут воспринимать сжимающие и растягивающие усилия, а также моменты, вызывающие в плитах одно- и двухосные напряжение. Образование регулярно расположенных сквозных отверстий в плите преобразует ее в балочную клетку или в ростверк. Свод представляет собой оболочку работающую преимущественно на сжатие
Поверхность двухосно напряженного свода может иметь сквозные отверстия или состоять из стержней. В этом случае его состояние будет по существу одноосным. Это относится к сетчатым или решетчатым куполам.
Основные системы оболочек,
их состояние обусловливается только растяжением, сжатием или изгибом. Одновременно с этим противопоставляются смешанным системам, к которым относится большинство строительных оболочек.
Складки представляют собой пространственные конструкции из отдельных плоских связанных между собой элементов, которые могут быть напряжены одно- или двухосно.
Жесткие структуры, развитые в 2-х измерениях и изогнутые по некоторым поверхностям, называются оболочками. Они могут обладать различной кривизной и изломами. Это и есть практически любая жесткая неплоская поверхность.
Оболочки могут воспринимать сжатие, растяжение и моменты. Жесткая может принимать одноосное и двухосное напряжение.
Фахверк также может рассматриваться в качестве несущей системы, развитой в 2-х направлениях, если только он лежит в одной плоскости. При применении шарнирных связей между элементами фахверка он распадается в статическом смысле на одноосно растянутые и одноосно сжатые стержни.
Пространственные несущие системы. Они обладают всеми 3-я измерениями одного порядка, а также могут принимать любой вид.
Массивные жесткие тела могут воспринимать силы и моменты, одновременно с этим быть одно-, двух- и трехосно напряженными. В подобного типа системах следует применять материалы с малой прочностью.
Несущие системы, развитые в 3-х направлениях, или массивные конструкции характеризуются значительным количеством материала даже в тех случаях, когда несущее тело обладает отверстиями или внутренними пустотами.
Внутренние пустоты или поры для лучшего использования высокопрочного материала, а также в других целях могут быть развиты настолько, что тело будет представлять по существу структуру из тонких стержней или стенок. При этом объем строения останется постоянным, внутри же сумма объемов пустот может приближаться к объему материала в перемычках или стенках.
Зависимости несущей системы (в случае 3-х измерений) сохраняют свою силу и тогда, когда эта система образуется из линейных (плоских) составляющих, где возможно одноосное или двухосное состояние напряжения. Такие трехмерные системы с небольшим количеством используемого материала обычно называются пространственными. Они разделяют на пространственные стержневые, а также конструкции со звеньями, развитыми в 2-х измерениях.
Пространственные стержневые конструкции могут состоять из жестких или гибких стержней, связанных между собой. При применении для сооружения (изделия) только гибких растянуто элементов возникает пространственная тросовая сетка. Она является примером растянуто напряженной пространственной конструкции из линейно протяженных частей. А стропильная ферма может служить таким же примером для случая изгибно напряженного состояния. Пространственный каркас состоит из сжатых линейных звеньев.
В качестве примера основной системы пространственной двухосно напряженной несущей конструкции, состоящей из элементов, развитых в двух измерениях, для случая растяжения может служить пена, образуемая некоторыми жидкостями. В случае изгибных или сжимающих усилий таким примером может быть жесткая пена (например, пеностекло).
В трехосно напряженных основных системах пространственных несущих конструкций растягивающие усилия возникают, например, в случае усадок.
Трехосное встречается относительно редко. Наиболее важен случай трехосного сжатия, наблюдающийся при приложении к основанию по поверхности неравномерных нагрузок. Вода и воздух могут испытывать только трехосное напряженное состояние. Несущие системы, развитые в трех измерениях, в отношении напряженного состояния очень часто являются смешанными системами. Так, например, мачта с растяжками представляет собой пространственную композицию из линейных одноосно сжатых и растянутых элементов. Баллон, независимо от того, используется ли он в качестве воздушного корабля или надувного здания, — пневматическая конструкция, состоящая из двухосно напряженной мембраны и трехосно напряженного газа или воздуха, который может непосредственно воспринимать прикладываемые к баллону внешние нагрузки и является таким образом конструктивно напряженным.
В электромоторе действуют различные виды напряжений. Составные жесткие части мотора испытывают изгибные, растягивающие и сжимающие усилия. Крутящий же момент вызывается невещественными магнитными силами.
В чистой форме отдельные виды напряжений встречаются сравнительно редко. Более обычны их различные комбинации. Система линий может образовать поверхность или объем; когда эта система реализуется в конкретном материале, он должен иметь некоторый объем. Любой жесткий строительный материал может быть напряжен одно-, двух- или трехосно. Теоретически можно представить очень тонкую растянутую проволоку, к которой дополнительно приложено поперечное растягивающее усилие.
Строительный материал, допускающий трехосное неоднородное напряжение, пригоден для любой несущей системы. Для таких материалов не определяется однозначно вид несущей системы, т. е. нельзя сказать, что такая конструкция присуща специфически только стали, дереву или бетону.
В то же время несомненно, что некоторые из несущих систем более соответствуют опре-деленному строительному материалу.
Силы, напряжения, усилия. В линейных строительных элементах напряженное состояние растяжения, сжатия или изгиба может вызываться силами или моментами. Сила имеет размерность кГ. В элементах, развитых в двух измерениях, могут быть плоские напряженные состояния растяжения, сжатия или изгиба. В этом случае принято относить нагрузку к длине соответствующего сечения. Размерность усилия имеет вид кГ/пог. м.
В объемных строительных элементах обычно говорят о напряжениях с размерностью кГ/см2.
Прочность строительного материала определяется в общем случае допускаемым напряжением. Характеристика прочности материала с помощью допускаемого напряжения в кГ/см2 применима не только к объемным элементам, но и к линейно напряженным и плоским элементам, если определение их толщины не представляет трудности. Однако в некоторых плоских или линейных элементах определение эффективной площади поперечного сечения часто весьма затруднительно, как, например, в тросах, тканях или стеклопластиках, состоящих из большого количества микроскопически мелких отдельных волокон.
В силу этого принято характеризовать линейные гибкие растянуто напряженные эле-менты с помощью разрывной прочности, измеряемой в кГ, удлинения, измеряемого в про-центах, и модуля упругости.
Для плоских элементов, эффективная толщина которых трудно установима, как, например, в тросовых сетках, тканях, в пористых кожеподобных пленках и других аналогичных материалах, для характеристики напряженного состояния используется погонное (так называемое мембранное) усилие с размерностью кГ/пог. м.
Допускаемое погонное усилие определяется путем испытания на разрыв при одноосном растяжении полос исследуемого материала (так, для ткани ширина стандартного образна— 5 см, длина—30 см). Особенное значение для характеристики свойств материала имеет диаграмма усилие — деформация и определяемый с ее помощью погонный модуль упругости (размерность кГ/см). При этом следует отметить, что многие новые высоко-прочные строительные материалы характеризуются нелинейной зависимостью между усилиями и деформациями и, следовательно, не подчиняются закону Гука. Физические соотношения для материалов при двухосном и трехосном напряженном состоянии пока еще изучены слабо, недостаточно разработана и методика испытания на такие состояния.
Предварительное напряжение.
Все конструкции могут быть разделены на две группы в зависимости от того, являются они предварительно напряженными или нет. Предварительно ненапряженная - это такая конструкция, которая в ненагруженном состоянии не обладает никакими напряжениями.
Ненагруженная - та, которая не воспринимает никаких сил и моментов, включая собственный вес.
Предварительно напряженной - при отсутствии внешней нагрузки (кроме того, конструкция предполагается невесомой) действуют силы или напряжения. Эти силы существуют в строении или изделии до приложения внешней нагрузки.
Термин «предварительное напряжение» относится преимущественно к конструкции, в то время как термин «собственные напряжения» или «внутренние напряжения» используют применительно к состоянию самого материала, а также и к телам, образованным из него. Так, например, теннисная ракетка или арфа являются предварительно напряженными. Струны и рама подвержены большим усилиям и моментам. То же относится и к бетонному элементу, обжатому растянутой арматурой (предварительно напряженный железобетон). В закаленном стекле поверхность, подвергнутая быстрому охлаждению, подвергается предварительному усилию сжатия, а внутренняя зона — предварительному усилию растяжения.
Чаще всего материалы не свободны от предварительных и внутренних напряжений, которые неблагоприятно сказываются на их свойствах. Применение предварительного напряжения целесообразно тогда, когда позволяет добиться более высокой несущей способности в нагруженном состоянии. В области растянуто напряженных систем гибкие предварительно ненапряженные конструкции в виде тросов, тросовых сеток и мембран в ненагруженном состоянии не имеют определенной формы, они приобретают форму только при нагружении.
Гибкие предварительно ненапряженные конструкции в виде тросовых или мембранных структур, так же как и арочный свод в области сжатия, для стабилизации формы требуют постоянной значительной пригрузки, которая чаще всего обеспечивается собственным весом (например, в покрытиях).
Предварительно напряженные гибкие конструкции сохраняют свою форму и в ненагруженном состоянии, причем она не зависит от положения изделия в пространстве. Трос, натянутый между двумя точками, можно назвать предварительно напряженным, если его длина в ненапряженном состоянии меньше расстояния между этими точками. Основная форма здесь — прямая линия.
Подобные растянутые конструкции могут иметь плоскую форму или же быть двояко (седловидно) искривленными. Форма с одинарной кривизной соответствует случаю одноосного напряженного состояния. Формы с положительной гауссовой кривизной невозможны.
В строительстве подобные конструкции нашли применение в мембранных конструкциях.
