ТРАНСФОРМИРУЕМАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
TRANSFORMABLE CONSTRUCTION STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для перекрытия постоянных и временных зданий и сооружений, для защиты от атмосферных осадков и солнечного излучения, а также для создания трансформируемых навесов.
Известна пневматическая арка, содержащая напрягаемый трос в своем внутреннем пространстве [1]. При натяжении троса кривизна арки изменяется. Это позволяет регулировать пролет и высоту конструкции. Недостатками данного решения являются малая несущая способность арки и образование складок на ее поверхности при натяжении троса.
Известны решения [2, 3], состоящие из отдельных секций, включающих полости для напрягающего гибкого элемента (стального троса). При натяжении троса отдельные секции поворачиваются относительно друг друга с образованием арочной формы.
Известны решения [4, 5], состоящие из совокупности жестких и гибких элементов (стальных тросов). Тросы, пропущенные через систему блоков, закрепленных на жестких элементах, напрягаются специальными приспособлениями. Это вызывает взаимное перемещение жестких элементов относительно друг друга с образованием арочной системы.
Известно решение [6], состоящее из совокупности шарнирных стержней, распорок и гибких элементов (стальных тросов). Распорки состоят из двух частей, которые объединяются между собой в результате напряжения троса. Тросы, пропущенные через систему блоков, закрепленных на стойках, а также через направляющие в стойках, напрягаются специальными приспособлениями. Это вызывает взаимное перемещение элементов системы относительно друг друга с образованием арочной формы.
Преимуществом решений [2-6] является возможность применения малого количества напрягающих приспособлений, которые могут быть размещены на нулевой отметке, что упрощает и удешевляет работы по возведению конструкций. Основным недостатком является ограниченная область эксплуатации, так как после монтажа и напряжения данных конструкций их геометрическая форма либо не может быть изменена (решения [2, 3, 6]), либо может быть изменена не существенно (решения [4, 5]), путем дополнительного натяжения или ослабления несущих тросов.
Вместе с тем при эксплуатации зданий и сооружений возникает потребность изменения местоположения и формы основных ограждающих конструкций. Различные ярмарки, выставки или спортивные состязания могут потребовать устройства временных навесов, защитных козырьков или покрытий в целом. С другой стороны, многие мероприятия, проводимые на открытом воздухе, напротив, не нуждаются в подобного рода защитных сооружениях, и наличие каких-либо конструкций покрытия в данном случае нежелательно.
Решение, позволяющее изменять перекрываемую площадь в широких пределах, предложено в [7]. Его недостатком является возможность создавать только «полузакрытые» навесы, либо необходимость применения дополнительного стенового ограждения, ухудшающего эксплуатацию сооружения.
Другое решение состоит из плоских наклонных или криволинейных (полуарочных) панелей, закрепленных за шарнирные опоры, которые позволяют вращаться панелям относительно вертикальных осей [8]. Панели установлены в два параллельных ряда. Данное решение позволяет по мере необходимости полностью или частично перекрывать эксплуатируемые площади, а также создавать открытые области, подверженные непосредственному воздействию окружающей среды.
Недостатки решения [8] следующие:
- сложность надежной гидроизоляции полностью закрытого покрытия, состоящего из множества отдельных поворотных элементов;
- ухудшенная архитектурная выразительность и увеличенные габаритные размеры предлагаемой системы, находящейся в полностью открытом состоянии (в положении, когда поворотные панели выстраиваются вдоль прямых, соединяющих их опоры);
- пониженная несущая способность из-за значительной длины элементов, работающих на сжатие с изгибом, либо малые пролеты сооружения, назначаемые из условия ограничения расчетных длин элементов и изгибающих моментов в них.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция, состоящая из трансформируемых в пространстве стоек с закрепленной на них тентовой оболочкой [9]. Каждая стойка выполнена в виде гирлянды, состоящей из нанизанных на трос жестких элементов с возможностью изменения пространственного положения стойки в зависимости от натяжения троса. Наружные концы тросов соединены между собой упругими металлическими дугами. Данное решение позволяет оперативно изменять форму покрытия, переходя от полностью закрытого положения к открытому навесу или козырьку. Решение [9] принимается за прототип.
Недостатки решения [9] следующие:
- наличие внутренней массивной опорной конструкции, ухудшающей эксплуатационные качества сооружения;
- невозможность применения данного решения в сооружениях на прямоугольном или квадратном планах;
- недостаточная надежность эксплуатации, так как до полного натяжения тросов и выпрямления стоек между элементами стоек сохраняются конструктивные зазоры, необходимые для дальнейшего натяжения;
- возможность образования складок на тентовом покрытии при натяжении тросов и уменьшении длины опорных стоек (ребер).
Техническая задача изобретения - упрощение и повышение надежности эксплуатации трансформируемой строительной конструкции, а также повышение функциональности зданий и сооружений за счет обеспечения возможности проведения мероприятий как в крытых помещениях, так и на открытом воздухе.
Технический результат изобретения достигается применением трансформируемой строительной конструкции, содержащей стойки, трансформируемые в пространстве и состоящие из неизменяемых модулей, соединенных между собой шарнирно. Данные модули состоят из распорок и балок. Каждая тройка последовательно расположенных модулей объединена двумя тросами, неподвижно закрепленными за первый и третий модули и свободно опирающимися на блоки, установленные на среднем модуле. Изменение пространственного положения стоек производится поворотом любого модуля, кроме опорного.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами.
На фиг.1 приведена трансформируемая стойка предлагаемой строительной конструкции в вертикальном положении.
На фиг.2 приведен опорный модуль предлагаемой строительной конструкции.
На фиг.2а, 2б, 2в приведены варианты неизменяемых модулей предлагаемой строительной конструкции, кроме опорного.
На фиг.3 приведен вариант установки связей между элементами стоек предлагаемой строительной конструкции.
На фиг.4, 4а приведены возможные решения, обеспечивающие поворот первого модуля предлагаемой строительной конструкции относительно шарнира опорного модуля.
На фиг.5, 5а приведены варианты трансформируемой стойки предлагаемой строительной конструкции в наклонных положениях.
На фиг.6, 6а приведен пример возможного применения предлагаемой строительной конструкции.
Предлагаемое техническое решение состоит из трансформируемых стоек, способных изменять свое положение в пространстве по мере необходимости в процессе эксплуатации.
Трансформируемая стойка (фиг.1) состоит из ряда неизменяемых модулей 1, шарнирно соединенных между собой в узлах 2. Модули состоят из одной или двух распорок 5, опирающихся на шарнирные опоры или соединенных с балкой 3 (фиг.2, 2а, 2б, 2в)
iл
iп
iл
iп
(i-1)л
(i-1)п
iп
iл
iл
iп
iл
iп
iп
iл
Каждая тройка последовательно расположенных модулей (фиг.1) образует группу, объединенную двумя тросами 4 и 4, где i - номер среднего модуля в группе, считая опорный модуль нулевым. Тросы 4 и 4 неподвижно закреплены за первый модуль в группе в точках А и А, а также за третий модуль в группе в точках С и С, соответственно. Также данные тросы, 4 и 4, свободно опираются на блоки второго (среднего) модуля в данной группе в точках D, В и D, В соответственно.
Для обеспечения геометрической неизменяемости предлагаемой трансформируемой конструкции необходимо объединить связями 6, 7 и 8 две соседние стойки (фиг.3), а также закрепить от поворота любой из модулей, кроме опорного.
Трансформация предлагаемой строительной конструкции производится поворотом любого из модулей, кроме опорного, относительно шарнира, соединяющего данный модуль с предшествующим (нижестоящим). Наиболее целесообразно производить поворот первого модуля, ближе всех расположенного к нулевой отметке. Поворот можно производить различными способами, например, установив привод в узел 2а (фиг.1), а также при помощи оттяжек 40 л и 40п (фиг.4) или 40 (фиг.4а) и одного или двух натяжных приспособлений 9 или 9а.
Поворот предлагаемой конструкции может производиться как по часовой стрелке, так и в обратную сторону (фиг.5 и 5а). Элементы покрытия 10 следует располагать на «нулевой линии» предлагаемой конструкции, либо на поверхностях, не меняющих свои размеры (фиг.5 и 5а). Возможно размещение элементов покрытия из гибких тентовых материалов на наружных поверхностях трансформируемой конструкции при условии обеспечения необходимых компенсаторов материала (не показаны).
Предлагаемое техническое решение может использоваться для покрытия внутренних площадей 11а (фиг.6) различных сооружений, полностью отделенных от внешней окружающей среды в течение определенного срока, либо для защиты территории 11б, примыкающей к сооружению, от непосредственного влияния атмосферных осадков и солнечной радиации (фиг.6а).
1п
1п
1п
0п
1л
1л
1л
1л
1л
0л
1п
1п
Работа (трансформация) предлагаемой строительной конструкции может совершаться, например, следующим образом. Одно из стяжных приспособлений 9 (фиг.4) производит натяжение троса 40п, при этом второе приспособление 9 синхронно освобождает трос 40л. Это приводит к повороту первого модуля 1 относительно шарнира 2 (фиг.1) по часовой стрелке. В результате блок D перемещается по тросу 4 вниз, что приводит к сокращению длины участка D-А и удлинению участка троса С-В. Также, блок D перемещается по тросу 4 вверх, что приводит к удлинению участка D-А и сокращению участка троса C-В. В результате перемещается и поворачивается следующий по счету модуль и т.д.
0л
0п
Для сохранения предлагаемой строительной конструкцией определенного неизменного положения в пространстве необходимо зафиксировать тросы 4 и 4 при помощи стяжных элементов 9.
К преимуществам технического решения, предлагаемого в данном изобретении, относятся следующие:
- простота эксплуатации системы, т.к. для перехода конструкции из одного равновесного состояния в другое и для сохранения достигнутого равновесного состояния требуется натяжение (или фиксация) тросов только одного яруса (модуля);
- возможность перекрытия прямоугольных в плане зданий и сооружений;
- отсутствие необходимых внутренних опор благоприятствует свободной планировке в перекрываемом сооружении;
- повышенная надежность, так как в системе на всех этапах трансформации из одного положения в другое отсутствуют монтажные зазоры в узлах.
Источники информации
1. А.с. 400677 СССР, E04B 1/345. Пневматическая арка / А.Н. Кульнев (СССР), 23.11.1971.
2. А.с. 1081312 СССР, Е04С 3/10. Предварительно напряженная решетчатая конструкция / В.В. Горев, С.Н. Косых, В.В. Михайлов (СССР), 01.10.1982.
3. Пат. 4284094 США, E04B 1/344, E04H 15/48, E04H 15/34, E04B 001/32, E04B 001/347, E04B 001/344, E04B 007/10. Tent structure with support arches / R. Behrend (ФРГ), 25.06.1979.
4. Пат. 4325207 США, E04G 11/00, E04G 21/18, E04B 1/32, E04G 11/48, E04B 7/08, E04B 1/35, E04B 001/32, E04C 003/46. Arch forming assembly / L. Russell и др. (Канада), 02.05.1980.
5. Пат. 4373305 США, E04B 1/344, E04B 1/32, E04C 3/38, E04B 001/32, E04C 003/46. Arch forming structure / L. Russell (Канада), 06.02.1981.
6. Пат. 7533498 США, E04B 1/34, E04H 15/00. Mechanically deployable expandable and collapsible structure and method for deploying a structure/ T.R. Zeigler, 18.02.2004.
7. A.c. 1609927 СССР, E04H 15/48, E04F 10/10. Укрытие / B.C. Чернохаев (СССР), 11.02.1988.
8. Пат. 4977713 США, A01G 9/24, E04B 1/346, E04B 1/18, E04B 1/344, E04B 1/343, E04B 1/32, E04B 7/16, E04H 3/14, E04H 3/16, E04B 001/346. Convertible and reversible solar shed or ceiling / S. M. Zveibil (Бразилия), 28.07.1989.
9. Пат. 2331744 РФ, E04F 10/10, E04B 1/32. Трансформируемое покрытие / В.Н. Гребнев, Я.В. Гребнев, В.Г. Рыбаков (РФ), 11.12.2006. (Прототип).