Сооружение с мембранно-пневматическим покрытием Российский патент 2021 года по МПК E04H15/20 

Изобретение относится к наземному строительству, в частности к строительству большепролетных сооружений с мембранно-пневматическим покрытием и с пролетами от 60 до 150 метров.

Пневматические системы получили применение при строительстве облегченных покрытий сооружений больших пролетов, таких как складские помещения, прозрачные перекрытия теплиц и оранжерей, крытые бассейны, теннисные корты, выставочные павильоны, крытые стоянки автотранспорта или летательных аппаратов, гаражи для строительной, сельскохозяйственной и военной техники.

Как показал опыт, применяемые в мире воздухоопорные и линзообразные мембранно-пневматические системы относятся к прогрессивным конструкциям. Это эффективные системы, дальнейшее совершенствование которых открывает большие возможности в строительстве легких сооружений больших пролетов.

Воздухоопорное сооружение представляет собой закрепленную по контуру мягкую оболочку, под которую непрерывно закачивается воздух. Для противодействия внешним нагрузкам давление воздуха под оболочкой превышает атмосферное. Вследствие небольшого (200-500 Па) избыточного давления воздуха и непрерывной подачи его вентилятором особых требований к герметичности оболочки не предъявляется. Воздухоопорные оболочки всегда крепятся к опорному контуру и снабжаются входными шлюзами.

Наиболее часто воздухоопорные сооружения представляют собой гибкую цилиндрическую оболочку, закругленную по торцам, под которую накачивается воздух. Такая оболочка даже при больших пролетах довольно жесткая и способна противостоять большим нагрузкам даже при малом избыточном давлении воздуха. Широко применялась на практике и полусферическая оболочка.

В мире построено более ста тысяч воздухоопорных сооружений. Однако из-за недостаточной изученности работы пневматических систем и отсутствия методик их достаточно точного расчета более половины пневматических сооружений до последнего времени преждевременно разрушилось от действия ураганов.

Как показала практика за вторую половину двадцатого века, пневматические сооружения уязвимы от транспорта и диверсий. Изготовленные из прорезиненной ткани, пленки или тонкой алюминиевой мембраны, они не мешают проехать сквозь сооружение танку, грузовому автомобилю, бульдозеру и другой тяжелой машине. Дешевое и легкое пневматическое сооружение из ткани или пленки в условиях войны оказывается не приемлемым. Необходимость возведения хотя бы невысоких стен в настоящее время у специалистов уже не вызывает сомнения. Даже небольшие стены повышают пожаростойкость сооружения. Эксплуатация пневмосооружений в «горячих точках» показала, что пневматические сооружения сгорают за такое короткое время, которое недостаточно для эвакуации людей. Вместе с тем, МО и МЧС цивилизованных стран из-за частых катастрофических ситуаций настойчиво требуют срочного развития мембранно-пневматических сооружений, так как по стоимости, материалоемкости и времени возведения такие сооружения остаются вне конкуренции.

Известна линейно-протяженная конструкция мембранно-каркасного воздухоопорного сооружения (Патент РФ №2095534, кл. Е04Н 15/20, 1997 г.), в котором вертикальные торцы покрытия очерчены по цилиндрической поверхности. В плане такая конструкция имеет вид прямоугольника с закругленными торцами.

При обычных нагрузках мягкая оболочка сооружения работает в воздухоопорном режиме. Но при падении избыточного давления воздуха во внутреннем помещении сооружения оболочку поддерживают арки, приваренные к фундаменту, представляющему собой замкнутую трубу большого диаметра. Избыточное давление воздуха под оболочкой падает, либо когда прекращается подкачка воздуха под оболочку, либо во время открытия торца или дверей сооружения при въезде крупноразмерной техники. Несущая способность системы, достаточная для перекрытия небольшого и среднего пролета, может быть своевременно восстановлена и, если нужно, увеличена за счет повышения избыточного давления под оболочкой.

За счет применения воздухоопорного эффекта такое сооружение является высоконадежным. Кроме того данное сооружение является мобильным, то есть может быть в короткое время перевезено на другое место. Сооружение устойчиво плавает на воде и не боится половодий.

Однако любое мобильное сооружение является изделием заводского изготовления, и высокая трудоемкость изготовления сооружения требует для его производства рабочих высокой квалификации. Вследствие высокой трудоемкости изготовления стоимость сооружения на один квадратный метр пола сравнительно высокая. А в холодное время года повышены также и эксплуатационные расходы.

Данное сооружение не нашло большого применения у нас в стране из-за высокой стоимость и больших эксплуатационные расходов. Так как в зимнее время требуется очень хорошее отопление, а в летнее время нужно охлаждение данного сооружения.

До двадцать первого века разнообразные пневматические покрытия, такие как пневмоарки, пневмобалки, сферические и цилиндрические купола и другие пневматические системы, применялись, в основном, при пролетах 12-36 метров. Однако необходимость совершенствования облегченных сооружений требовало развития конструктивных форм пневматических систем, особенно таких удобных в эксплуатации, легких и экономичных при сложных условиях эксплуатации сооружений, как сооружения с линзообразными мембранно-пневматическими системами покрытий.

В последние десятилетия однопролетные линзообразные мембранно-пневматические системы широко применялись на военных базах США и с тех пор вызывают интерес у проектировщиков, специализирующихся на легких сооружениях больших пролетов. В таких сооружениях избыточное давление воздуха поддерживается только в замкнутых линзообразных полостях мембранно-пневматического покрытия, в то время как под покрытием, т.е. во внутреннем помещении сооружения, избыточное давление воздуха отсутствует. Необходимости в устройстве шлюзов в таком сооружении нет, что для МЧС и военных специалистов имеет большое значение.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является сооружение с мембранным покрытием (Патент РФ №2315843 кл. С2, 2008 г.). Это сооружение с мембранным покрытием содержит расположенные над горизонтальным полом внешнее и внутреннее опорные устройства и предварительно напряженное мембранное покрытие с одной или несколькими замкнутыми линзообразными полостями, образованными нижней и верхней мембранами. Мембраны скреплены с внешним опорным устройством и по торцам образуемых мембранами линзообразных полостей соединены между собой пластинами.

В отличие от известных пневматических сооружений в прототипе внешнее опорное устройство включает несколько плоских стен рамного типа с элементами оконного витража, торцевые пластины замкнутых полостей мембранного покрытия выполнены в виде плоских мембранно-стержневых панелей, а каждая мембрана выполнена из плоского мембранного полотна в виде оболочки постоянной кривизны, простая цилиндрическая криволинейность которой достигнута за счет равномерных поперечных сил предварительного напряжения мембран избыточным давлением воздуха.

Прототип относится к пневматическим сооружениям с тонкими прорезиненными мембранами, представляющим собой склады, гаражи, эллинги, ангары, спортивные сооружения и так далее. На современном этапе покрытием часто служат пневматические линзы, выполненные из прочного стеклянного волокна с тефлоновым светопрозрачным покрытием или с покрытием из полупрозрачного шерфила. Но в последние десятилетия пневматическое покрытие большепролетного сооружения начинают выполнять из алюминия или нержавеющей стали. Недостатком данного сооружения является, то, что его изготовление очень трудоемко и оно очень дорогостоящее, поэтому не нашло широкого применения в России и за рубежом.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении экономической эффективности и времени возведения данного сооружения.

Технической задачей изобретения является уменьшение деформативности и повышение эксплуатационной надежности сооружения. Указанная задача достигается тем, что в сооружении 1 с мембранно-пневматическим покрытием 2, прямоугольным в плане, содержащем расположенные над горизонтальным полом 3 внешнее опорное устройство 4,выполненное в виде боковых плоских стен 5 рамного типа, имеющих элементы оконного витража 6 и соединенных между собой торцевой стеной 7 сооружения, внутреннее опорное устройство 8, включающее один или два ряда вертикальных колонн 9, объединенных между собой многопролетным горизонтальным ригелем 10, расположенным вдоль сооружения, многопролетное предварительно напряженное мембранно-пневматическое покрытие 2, состоящее из нескольких замкнутых линзообразных полостей 11, образованных нижней 12 и верхней 13 мембранами, закрепленными при помощи анкерных устройств 14 к боковым плоским стенам внешнего опорного устройства 4 и расположенными над ригелем 10 каждого ряда вертикальных колонн 9 внутреннего опорного устройства 8, при этом нижняя 12 и верхняя 13 мембраны 2 покрытия соединены между собой по торцам каждой линзообразной полости 11 вертикальной пластиной 15, выполненной в виде набора плоских мембранно-стержневых панелей 16, а каждая мембрана 12, 13 выполнена в виде гибкой оболочки постоянной кривизны, постоянство которой обусловлено равномерностью сил предварительного напряжения мембран избыточным давлением воздуха, для уменьшения деформативности здания, внешнее опорное устройство выполнено в виде двух боковых зданий, каждое из которых включает две плоские стены 17, верхнюю плиту покрытия 18 и плиты межэтажного перекрытия 19, при этом нижняя и верхняя мембраны покрытия над ригелем каждого ряда вертикальных колонн герметично скреплены между собой по всей длине ригеля 20, обеспечивая автономную герметичность и независимую работу при силовых нагрузках каждой линзообразной полости мембранно-пневматического покрытия 21, внутри сооружения стены боковых зданий на уровне верхнего этажа соединены между собой горизонтальными стержнями, объединенными с отдельными вертикальными колоннами внутреннего опорного устройства и расположенными поперек сооружения ниже мембранно-пневматического покрытия 22, внутреннее помещение сооружения, расположенное между покрытием и полом сооружения 23, имеет избыточное давление воздуха, поддерживаемое воздухонагнетательной машиной 24, согласно изобретению, внешнее опорное устройство выполнено в виде двух продольных боковых многоэтажных зданий, каждое из которых включает две плоские стены, верхнюю плиту покрытия и нижние плиты межэтажного перекрытия, нижняя и верхняя мембраны покрытия сооружения над ригелем каждого ряда вертикальных колонн герметично скреплены между собой по всей длине ригеля, обеспечивая автономную герметичность и независимую работу под силовыми нагрузками каждой линзообразной полости мембранно-пневматического покрытия, а внутри сооружения стены продольных боковых зданий на уровне верхнего этажа зданий соединены между собой несколькими горизонтальными стержнями, объединенными с отдельными вертикальными колоннами и расположенными поперек сооружения ниже мембранно-пневматического покрытия.

Кроме этого предлагаемое сооружение может быть выполнено однопролетным, когда ряды вертикальных колонн с ригелями, расположенными вдоль сооружения, отсутствуют.

Предлагаемое сооружение, наряду с воротами, предназначенными для пропуска транспорта, может включать шлюзы, предназначенные для пропуска людей, и при этом внутреннее помещение сооружения, расположенное между покрытием и полом сооружения, может иметь избыточное давление воздуха, поддерживаемое воздухонагнетательной машиной.

Изобретение поясняется: фиг. 1 - сооружение с трехпролетным линзообразным мембранно-пневматическим покрытием, фиг. 2 - вариант сооружения с трехпролетным линзообразным мембранно-пневматическим покрытием (вид с торца), фиг. 3 - сооружение с однопролетным линзообразным мембранно-пневматическим покрытием, фиг. 4 - разновидность сооружения с двухпролетным линзообразным мембранно-пневматическим покрытием.

Мембранно-пневматическое покрытие сооружения является распорной системой в сильной степени растянутой силами избыточного давления воздуха. При этом возникает значительный выдергивающий распор, который воспринимается специальными анкерными конструкциями. К анкерным конструкциям в данном сооружении относятся анкерные устройства, продольно расположенные боковые многоэтажные здания и сваи под колоннами боковых рамных зданий. Распор в этом случае опрокидывает анкерные конструкции вовнутрь сооружения.

Из проектов сооружений следует, что стоимость линзообразных мембранно-пневматических покрытий сооружений больших пролетов, примерно равна стоимости анкерных конструкций, т.е. в данном случае стоимости продольных боковых многоэтажных зданий, а также их колонн, забитых своей нижней частью в грунт.

К примеру, в однопролетном сооружении при снеговой нагрузке, составляющей сто килограмм на один квадратный метр покрытия общей площадью в один гектар, суммарный распор покрытия составляет около десяти тонн на один погонный метр длины сооружения. Общий же поперечный распор при длине сооружения в сто метров составляет тысячу тонн. Распоры в сооружении особенно большие при пролетах, равных 150 метрам.

Мембранно-пневматическое покрытие идеально работает на растяжение и является наиболее легкой и в то же время достаточно жесткой конструкцией даже при больших пролетах. А мощные анкерные конструкции - это цена за эту легкость покрытия и большую величину перекрываемых пролетов.

Возможность перекрывать большие пролеты - неоспоримое это достоинство мембранно-пневматических систем. Но конструкция при этом должна быть достаточно жесткой и надежной в эксплуатационном отношении. Для военных специалистов важна живучесть конструкции, т.е. надежность конструкции при ее частичном разрушении. Такими конструкциями и являются мембранно-пневматические сооружения. Им не страшны дыры от пуль, так как постоянная подкачка воздуха происходит всегда и в том количестве, в котором это необходимо.

История развития мембранно-пневматических систем является иллюстрацией того компромисса, который достигается инженерами в обеспечении равновесия сил и получении при этом необходимого коэффициента запаса.

Такая характеристика свойственна любым распорным системам. Так, арки и полусферические купола, вследствие своей легкости при работе на сжатие, способны перекрывать большие пролеты, но при этом требуются большие затрат на строительство анкерных конструкций, воспринимающих распор. Не обеспечено восприятие распора, и красивое ажурное сооружение больших пролетов разрушится.

Для ясности в этом непростом вопросе, рассмотрим основные этапы изучения свойств исследуемых сооружений с мембранно-пневматическими покрытиями на проектах, по которым ученые изучали свойства пока еще недостаточно изученной мембранно-пневматической системы.

Пролет 36 м - требуются продольные боковые многоэтажные здания с фундаментом на естественном основании.

Пролет 72 м - требуются боковые многоэтажные здания, рамные колонны которых в виде железобетонных свай заглублены в грунт на глубину в 15 метров.

Пролет 100 м - требуются боковые многоэтажные здания, рамные колонны которых в виде металлических свай заглублены в грунт на глубину в 15 метров и при этом концы свай снабжены винтами диаметром, равным два метра.

Пролет 120 м - требуются боковые многоэтажные здания, рамные колонны которых в виде металлических свай заглублены в грунт на глубину в 15 метров. При этом концы свай снабжены винтами диаметром в три метра. Винтовые сваи работают на выдергивание с большей силой. Используется высокая эффективность свайных ростверков при работе на изгиб и выдергивание.

Пролет 150 м - требуются боковые многоэтажные здания, рамные колонны которых в виде металлических свай заглублены в грунт на глубину, равную 15 метрам. При этом концы свай снабжены винтами двухметрового диаметра, а стены продольных боковых многоэтажных зданий соединены горизонтальным стержнем, выполняющим роль распорки, препятствующей наклону боковых зданий вовнутрь сооружения под действием распора от растянутых мембран покрытия. Поперечный стержень целесообразно выполнять трубчатого поперечного сечения для повышения его устойчивости. При этом благодаря монолитному объединению поперечного горизонтального стержня с вертикальными колоннами внутреннего распорного устройства, устойчивость стержня определяется в многопролетном сооружении длиной только одного пролета.

При пролетах 120-150 метров повышение надежности работы сооружения достигается за счет возникающего при избыточном давлении воздуха во внутреннем помещении воздушного подпора, действующего на покрытие и стены боковых зданий сооружения. Воздушный подпор воспринимает значительную часть снеговой и ветровой нагрузки и уменьшает значительную часть распора, воспринимаемого анкерными конструкциями. Такая конструкция дает возможность пропускать в открытие ворота большегрузный транспорт. При этом если во время действия ураганов закрыть шлюзы и повысить избыточное давление во внутреннем помещении сооружения до расчетной величины, то, гарантируется сохранность сооружения при сильных ураганах (но не при тайфунах, когда требуются тяжелые здания). Другими словами, стены сооружения воспринимают как распоры от мембран, так и давление ветра с внешней стороны сооружения. С внутренней же стороны сооружения действует избыточное давление воздуха в замкнутой полости внутреннего помещения сооружения. Это суммарное давление уравновешивает ветер, способствуя улучшению напряженно-деформированного состояния элементов внешних опорных конструкций в период эксплуатации сооружения. При этом избыточное давление воздуха, действующее изнутри сооружения по величине примерно того же порядка, что и наружное давление.

В изобретении сооружения мембраны каждая герметично замкнутая полость мембранно-пневматического покрытия работает при произвольных силовых нагрузках независимо: от других линзообразных полостей многопролетного покрытия. Это существенно повышает жесткость гибкого покрытия сооружения, что делает сооружение более экономичным и более надежным в процессе эксплуатации. Так, если мембраны линзообразных полостей замкнуты от внешней среды, но не отделены друг от друга герметично и могут пропускать воздух из одной линзообразной полости в другую, то при действии больших силовых нагрузок на верхнюю мембрану среднего пролета трех пролетной системы, нижняя мембрана линзы среднего пролета сильно провиснет. В этом случае воздух из средней линзы перельется в крайние линзы вследствие уравновешивания избыточного давления воздуха во всех трех линзах по принципу сообщающихся сосудов.

Следовательно, приращение избыточного давления в средней линзе, возникающее от действия силовой нагрузки, распределяется ни три линзы, а уменьшение избыточного давления в средней линзе означает ее ослабление и увеличение прогибов от нагрузки.

Далее коснемся некоторых деталей предлагаемой полезной модели. Стены сооружения по условиям прочности могут иметь оконный витраж (необходимый при строительстве теплиц, оранжерей, спортивных сооружений, медсанбатов и т.д.). Возможность иметь обычный оконный витраж предоставляется инженерам благодаря тому факту, что давление воздуха изнутри сооружения обычно не превышает давление ветра снаружи. Это давление достигает примерно 500-2000 Па во время бури (взрывы во внимание не принимаются, так как являются нарушением штатного режима эксплуатации сооружения).

По той же причине авторами рекомендуется выполнять торцы пневматической полости покрытия в виде экономичных мембранно-стержневых панелей. Эти панели легко выдерживают избыточное давление воздуха в пневмолинзе, достигающее 500-2000 Па.

Благодаря постоянной кривизне по длине пролета линзообразной полости, очерчены по простейшей цилиндрической поверхности. Это исключает коробление металлических мембран в процессе эксплуатации сооружения, снижает трудоемкость изготовления сооружения и повышает его эксплуатационную надежность.

Изобретение относится к наземному строительству, в частности к строительству большепролетных сооружений с мембранно-пневматическим покрытием, имеющим пролеты от 60 до 150 метров. Техническим результатом является уменьшение деформативности и повышения эксплуатационной надежности сооружения. Технический результат достигается тем, что сооружение с мембранно-пневматическим покрытием, прямоугольное в плане, содержит внешнее опорное устройство, выполненное в виде боковых стен, соединенных между собой торцевой стеной сооружения, внутреннее опорное устройство, включающее вертикальные колонны, объединенные между собой горизонтальным ригелем, расположенным вдоль сооружения, и многопролетное предварительно напряженное мембранно-пневматическое покрытие, состоящее из нескольких линзообразных полостей, образованных нижней и верхней мембранами, закрепленными к внешнему опорному устройству. Для уменьшения деформативности и повышения эксплуатационной надежности сооружения внешнее опорное устройство выполнено в виде двух боковых зданий, каждое из которых включает две плоские стены, верхнюю плиту покрытия и плиты межэтажного перекрытия. При этом нижняя и верхняя мембраны покрытия над ригелем каждого ряда вертикальных колонн герметично скреплены между собой по всей длине ригеля, обеспечивая автономную герметичность и независимую работу при силовых нагрузках каждой линзообразной полости мембранно-пневматического покрытия. Внутри сооружения стены боковых зданий на уровне верхнего этажа соединены между собой горизонтальными стержнями, объединенными с отдельными вертикальными колоннами внутреннего опорного устройства и расположенными поперек сооружения ниже мембранно-пневматического покрытия. Внутреннее помещение сооружения, расположенное между покрытием и полом сооружения, имеет избыточное давление воздуха, поддерживаемое воздухонагнетательной машиной. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сооружение с мембранно-пневматическим покрытием, прямоугольное в плане, содержащее расположенные над горизонтальным полом внешнее опорное устройство, выполненное в виде боковых плоских стен рамного типа, имеющих элементы оконного витража и соединенных между собой торцевой стеной сооружения, внутреннее опорное устройство, включающее один или два ряда вертикальных колонн, объединенных между собой многопролетным горизонтальным ригелем, расположенным вдоль сооружения, многопролетное предварительно напряженное мембранно-пневматическое покрытие, состоящее из нескольких линзообразных полостей, образованных нижней и верхней мембранами, закрепленными при помощи анкерных устройств к боковым плоским стенам внешнего опорного устройства и расположенными над ригелем каждого ряда вертикальных колонн внутреннего опорного устройства, при этом нижняя и верхняя мембраны покрытия соединены между собой по торцам каждой линзообразной полости вертикальной пластиной, выполненной в виде набора плоских мембранно-стержневых панелей, а каждая мембрана выполнена в виде гибкой оболочки постоянной кривизны, постоянство кривизны которой обусловлено равномерностью сил предварительного напряжения мембран избыточным давлением воздуха, отличающееся тем, что для уменьшения деформативности и повышения эксплуатационной надежности сооружения внешнее опорное устройство выполнено в виде двух боковых многоэтажных зданий, каждое из которых включает две плоские стены, верхнюю плиту покрытия и нижерасположенные плиты межэтажного перекрытия, нижняя и верхняя мембраны покрытия сооружения над ригелем каждого ряда вертикальных колонн герметично скреплены между собой по всей длине ригеля, обеспечивая автономную герметичность и независимую работу при силовых нагрузках каждой линзообразной полости мембранно-пневматического покрытия, а внутри сооружения стены боковых многоэтажных зданий на уровне верхнего этажа зданий соединены между собой горизонтальными стержнями, объединенными с отдельными вертикальными колоннами внутреннего опорного устройства и расположенными поперек сооружения ниже мембранно-пневматического покрытия.

2. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что сооружение, наряду с воротами, предназначенными для пропуска транспорта, включает шлюзы, предназначенные для пропуска людей, а внутреннее помещение сооружения, расположенное между покрытием и полом сооружения, имеет избыточное давление воздуха, поддерживаемое воздухонагнетательной машиной.