ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
PNEUMATIC BUILDING STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве элемента покрытия зданий и сооружений различного назначения.
Пневматические строительные конструкции состоят из мягких оболочек, наполненных газом, находящимся под избыточным давлением и являющимся основным рабочим телом.
Существует два основных вида пневматических конструкций, используемых в строительстве: воздухоопорные и воздухонесомые [1].
Оболочка первых опирается на воздух, находящийся в замкнутом объеме [2, 3]. Они применяются как в качестве покрытий зданий в целом, так и в качестве отдельных элементов покрытия [4, 5, 6].
Вместе с тем, их основные недостатки следующие:
- наличие распора, передаваемого на конструкции каркаса здания при отсутствии внешней полезной нагрузки. Распор уменьшается с ростом стрелки оболочки и достигает нуля (от внутреннего давления), когда высота оболочки равняется ½ пролета. В этом случае конструкция становится не экономичной из-за своих увеличенных габаритных размеров;
- не достаточные теплоизолирующие свойства;
- не достаточная стабильность поверхности оболочки (появление локальных вогнутостей и вмятин при неравномерных снеговых и ветровых воздействиях). Повышение стабильности достигается увеличением внутреннего давления, что ведет к росту распоров и напряжений в оболочке. Рост давления возможен лишь в узком диапазоне (несколько сотен паскалей) из-за больших радиусов кривизны поверхности и ограниченной прочности материалов.
Воздухонесомые конструкции представляют собой отдельные герметичные стержни или панели (последовательность стержней, соединенных по длине) прямолинейного или криволинейного очертания. Стержни или панели делаются из мягкой оболочки и заполняются воздухом при повышенном давлении [7, 8, 9, 10]. Решение [9] принято за ПРОТОТИП.
Преимущества воздухонесомых конструкций перед воздухоопорными следующие:
- отсутствие распора, передаваемого на каркас здания от внутреннего давления воздуха в оболочке;
- повышенная стабильность, т.к. малые радиусы кривизны поверхности позволяют применять большие давления (десятки килопаскалей);
- способность воспринимать сжимающие усилия и изгибающие моменты.
Существуют следующие принципиальные решения пневмопанельных конструкций: надувные стержни не зависимы и, объединяясь в панель, касаются друг друга по прямой или искривленной линии; стержни частично пересекаются между собой по длине, при этом поверхность, соединяющая линии пересечения оболочек, может решаться в виде диафрагм [9] либо связей [10].
Недостатки воздухонесомых конструкций следующие:
- не достаточная теплоизоляция, возможность образования конденсата и наледи на поверхности, ориентированной внутрь помещения;
- малая несущая способность прямолинейных стержней или панелей (работающих по балочной схеме);
- возникновение распоров от внешних нагрузок, передаваемых на конструкции каркаса здания стержнями и панелями арочного очертания.
Известны решения комбинации воздухоопорных оболочек с поддерживающими жесткими стойками и высокопрочными тросами [11, 12]. Недостатки данных систем общие с недостатками обычных воздухоопорных оболочек: наличие распора, не достаточная теплоизоляция и ограниченная стабильность формы поверхности.
Техническая задача изобретения - уменьшение максимального распора, передаваемого на опорные конструкции здания, повышение теплоизоляции и стабильности формы покрытия, снижение материалоемкости.
Технический результат изобретения достигается применением пневматической строительной конструкции, верхний пояс которой является пневмопанелью в форме цилиндрической или куполообразной поверхности, состоящей из ряда пневмоарочных элементов, расположенных параллельно или радиально, выполненных из герметичной тентовой или пленочной оболочки, наполненной газом под избыточным давлением. Нижний пояс предлагаемой конструкции является тентовой или пленочной оболочкой, герметично соединенной с пневмопанелью по периметру и образующей вместе с ней замкнутый контур, содержащий газ под избыточным давлением.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами.
На фиг.1 приведен вид сверху на предлагаемую пневматическую строительную конструкцию (основной вариант).
На фиг.2 приведен разрез 1-1 по фиг.1.
На фиг.3 приведен разрез 2-2 по фиг.1, вариант 1.
На фиг.4 приведен разрез 2-2 по фиг.1, вариант 2.
На фиг.5 приведен разрез 3-3 по фиг.1.
На фиг.6 приведена принципиальная схема фрагмента нижней тентовой оболочки 2, применяемой для решения, показанного на фиг.1.
На фиг.6а приведена принципиальная схема фрагмента нижней тентовой оболочки 2а, применяемой для решений, показанных на фиг.8 и 12.
На фиг.6в приведена принципиальная схема фрагмента нижней тентовой оболочки 2в, применяемой для решений, показанных на фиг.7 и 13.
На фиг.7 приведен вид сверху на предлагаемую пневматическую строительную конструкцию (второй вариант).
На фиг.8 приведен вид сверху на предлагаемую пневматическую строительную конструкцию (третий вариант).
На фиг.9 приведен разрез 4-4 (развертка) по фиг.8.
На фиг.10 приведен разрез 5-5 по фиг.8.
На фиг.11 приведен разрез 6-6 по фиг.7.
На фиг.12 приведен вид сверху на часть предлагаемой пневматической строительной конструкции (четвертый вариант).
На фиг.13 приведен вид сверху на предлагаемую пневматическую строительную конструкцию (пятый вариант).
На фиг.14 приведено возможное расположение нижних поддерживающих тросов 7 для систем, приведенных на фиг.1, 7, 13.
На фиг.15 приведено возможное расположение нижних поддерживающих тросов 7 для систем, приведенных на фиг.8, 12.
На фиг.16 приведено возможное расположение нижних поддерживающих тросов 7 для систем, приведенных на фиг.8, 12.
На фиг.17 приведен узел опирания предлагаемых пневматических строительных конструкций, расположенных в соседних пролетах, на несущие конструкции каркаса здания.
На фиг.18 приведен узел опирания предлагаемой пневматической строительной конструкции, расположенной в крайнем пролете, на несущие конструкции каркаса здания.
На фиг.19-22 приведен разрез a-a по фиг.17 и 18. Различные варианты.
На фиг.23 приведена сборка 24, устанавливаемая в опорных элементах 3 или 3a.
На фиг.24 приведена принципиальная схема комбинированной диафрагмы 32.
Предлагаемое техническое решение (фиг.1) состоит из ряда пневмоарочных элементов 1, образующих герметичную выпуклую вверх пневмопанель, содержащую замкнутый контур 5. Верхний и нижний пояса пневмопанели выполняются из тентовой или пленочной оболочки и соединяются между собой элементами 4 (фиг.2).
Элементы 4 могут решаться в виде диафрагм [9] либо системы тросов [10]. Система тросов не позволяет герметично отделить соседние пневмоарки друг от друга, что может привести к разгерметизации всей пневмопанели при разрыве оболочки одного из ее элементов. Таким образом, применение диафрагм [9], выполняемых из тентовых или пленочных материалов, более предпочтительно из соображений надежности.
Конструкция пневмоарки и пневмопанели известна [7, 8, 9, 10] и не является предметом данного изобретения.
Под пневмопанелью располагается тентовая или пленочная оболочка 2, герметично соединенная с пневмопанелью по периметру и образующая с ней замкнутый контур 6.
Оболочка 2 (фиг.6) состоит из следующих элементов: плоские фрагменты 9, 17 и основное полотнище 18, имеющее (в напряженном состоянии) положительную кривизну и которое должно изготовляться из ряда полос тента, свариваемых или склеиваемых друг с другом. Фрагмент 17 загибается по линии 20 для крепления оболочки (фиг.17, 18).
Замкнутые контуры 5 и 6 содержат газ (воздух, гелий или любой другой негорючий газ, подходящий по экономическим соображениям) под избыточным давлением. Давления газа в элементах 5 и 6 в общем случае различны и должны определяться расчетом.
Для возможности увеличения давления в контуре 6 устанавливаются поддерживающие оболочку 2 тросы 7, уменьшающие радиусы кривизны области 18 оболочки 2 и снижающие напряжения в ней. Тросы 7 могут иметь как параллельное, так и более сложное взаимное расположение (фиг.14-16).
Пневмопанель может быть разделена на ряд участков или секторов, внутри которых элементы 1 сообщаются между собой, образуя единый замкнутый контур 5. В частных случаях, участок (сектор) может включать только одну пневмоарку (для большепролетных систем, эксплуатируемых на постоянной основе) либо все пневмоарки (для временных сооружений, имеющих незначительные размеры).
Поверх пневмопанели, между отдельными элементами 1 могут устанавливаться фиксирующие тросы 8 (фиг.1, 2, 18). Элементы 8 должны быть снабжены натяжными приспособлениями (на фигурах не показаны), позволяющими включить их в работу при отсутствии избыточного давления в контуре 6.
Пневмоарочные элементы 1 и 1e опираются на переходные элементы 3, которые представляют собой герметичную тентовую оболочку 22, наполненную газом под избыточным давлением (фиг.17, 18). Элементы 3 отделяются от элементов 1 и 1e диафрагмами 23, выполненными из тента, которые не позволят разгерметизироваться всей пневмопанели при нарушении целостности переходного элемента 3 или отдельных пневмоарок. По длине, с целью повышения надежности, элементы 3 следует разделить поперечными диафрагмами (на фигурах не показаны), шаг которых превышает поперечные размеры пневмоарок и которые герметично отделяют различные сектора элементов 3 друг от друга.
Элементы 3 могут опираться на несущие конструкции каркаса здания (стропильные фермы, опорные контуры по периметру и т.д.) различными способами, например следующим (фиг.17, 18).
В элементы 3 заводятся сборки 24, состоящие из двух продольных элементов 25 (труб малого диаметра или стержней) с приваренной пластиной 26 (как показано на фиг.23). Прижимная пластина 27 удерживается винтами 28. Пластина 27 должна быть снабжена приспособлениями для фиксации положения винтов 28 (возможна приварка винтов 28 к пластине 27). Фрагмент 17 элемента 2 заводится между собранным элементом 3 и опорным столиком 30, конструкция которого выходит за область данного изобретения. Элемент 17 оборачивается вокруг стержня или троса 29 по линии сгиба 20 (фиг.6) (обычным способом, который не является предметом данного изобретения) и фиксируется к элементу 30 вместе с элементами 3 винтами 28. Необходимо обеспечить герметичность винтового соединения, конструкция которого выходит за область данного изобретения. Для восприятия продольных усилий в диафрагме 4 следует установить диафрагму (связь) 31, как показано на фиг.17, 18, которая фиксируется к пластине 26 прижимным элементом 27 и винтами 28. Диафрагма 31 может быть как отдельной (фиг.19, 20), так и быть продолжением диафрагмы 4 (фиг.21, 22), проходя насквозь диафрагму 23 (или заменяя ее). Во всех вариантах необходимо обеспечить герметичность (независимость объемов) контура 5 и элемента 3. Соединение диафрагм 4, 31 с диафрагмой 23 производится обычными способами и не является предметом данного изобретения. Диафрагмы 4, 31 и фрагмент диафрагмы 23 можно изготовить из цельного полотнища тента, как показано на фиг.24, составив комбинированный элемент 32. Между собой элементы 32 соединяются на сварке или прошивкой вдоль линий 33 (фиг.22).
При устройстве покрытия на двух соседних участках (фиг.17) следует установить водосточный желоб 34 из тентового материала. Желоб приваривается к ранее установленным и соединенным элементам 1 и 3, наполненным газом под начальным избыточным давлением. Желоб 34 фиксируется продольным тросом 35 (на фиг. проецируется в точку), защищенным от влаги карманом из тента 36. Все соединения элементов 34, 35 и 36 стандартные и не являются предметом данного изобретения.
Предлагаемое техническое решение может использоваться в качестве покрытия зданий на прямоугольном или круглом планах.
Покрытие на прямоугольном плане (фиг.1) примыкает к продольным осям здания (фиг.3, 4, 5) при помощи направляющих 10, неподвижно закрепляемых за опоры 21 (например, верхние пояса стропильных ферм). Области 9 элементов 2 заворачиваются и герметично закрепляются за крайние пневмоарки 1e и торцы элементов 3.
При помощи оттяжек 11 (фиг.3) элемент 9 фиксируется за направляющие 10 следующим образом: оттяжки 11 закрепляются одним концом за тентовую оболочку 2, а вторым соединяются между собой в точках 12 (на сварке, шнуровке, на клею или другим известным способом), охватывая направляющую 10.
Второй вариант фиксации элемента 9 к направляющей 10 (фиг.4) - применение высокопрочных связей 13, закрепляемых одним концом за тентовую оболочку 2, а другим - за продольный трос 14, помещенный в карман из тента 15. Высокопрочная связь охватывает направляющую 10 и элемент 9, снижая напряжения в последнем.
В обоих вариантах производится установка герметизирующих фартуков 16 из тентового или пленочного материала в углах покрытия (фиг.1, 5).
Покрытие на прямоугольном плане (фиг.7, 11) примыкает к продольным осям здания через опорный элемент 3, на который опираются поперечные пневмополуарки 1т и 1ет, состоящие (аналогично элементам 1) из верхнего и нижнего поясов, объединенных диафрагмами 4т, и содержащие газ под избыточным давлением в объеме 5т. Элементы 1т и 1ет опираются также на крайние пневмоарки 1е. В углах здания, где высота покрытия не позволяет разместить полуарки, устраиваются т.н. «пневмоподушки» 37, состоящие из верхнего 38 и нижнего 39 поясов и содержащие газ под избыточным давлением в объеме 40. Пневмоподушки опираются на элементы 1е, 1ет, 3.
Покрытие на прямоугольном плане (фиг.13) состоит из пневмопанели, включающей ряд пневмоарочных элементов 41, расположенных параллельно диагоналям здания, и «пневмоподушек» 42. В соответствии с [13] диагональное расположение несущих элементов, передающих распор на опорный контур, ведет к снижению моментов в опорном контуре. Пневмоарочные элементы 41 и «пневмоподушки» 42 аналогичны по конструкции пневмоаркам 1 и «пневмоподушкам» 37, соответственно, описанным выше. В углах покрытия следует установить герметизирующие фартуки 16.
Покрытие на круглом плане (фиг.8, 9, 10) примыкает к опорному контуру 47 через опорный элемент 3a, на который опираются пневмополуарки 1а, состоящие (аналогично элементам 1) из верхнего и нижнего поясов, объединенных диафрагмами 4а, и содержащие газ под избыточным давлением в объеме 5а. В середине пролета пневмополуарки опираются на пневмобаллон 43 в виде тора. Центральная часть пролета занята «пневмоподушкой» 44, состоящей из верхнего 45 и нижнего 46 поясов, выполненных из тента и герметично соединенных с тором 43. Возможно применение жесткой конструкции фонаря с заполнением из светопрозрачного материала (например, стекла) вместо элементов 43 и 44 (на фиг. не показано).
Для выравнивания расстояния между диафрагмами, отделяющими пневмополуарки друг от друга, в направлении от опорного контура покрытия 47 к центру здания, следует применять решение, представленное на фиг.12. Отличие заключается в том, что пневмопанель покрытия состоит из отдельных секторов 48, состоящих из верхней 49 и нижней 50 тентовых оболочек, объединенных дополнительными диафрагмами 52, не доходящими до центрального элемента 43. Между собой сектора 48 объединяются при помощи основных диафрагм 51.
К преимуществам технического решения, предлагаемого в данном изобретении, относятся следующие:
- уменьшение распора. При действии внешних нагрузок (например, снега) распор Нв в верхней пневмопанели, состоящей из элементов 1, снижается и становится отрицательным, т.е. направленным наружу пролета. Это возникает из-за того, что элементы 1 и пневмопанель в целом способны воспринимать сжимающие усилия, в отличие от верхних поясов обычных воздухоопорных систем (например, т.н. «воздушных подушек»), работающих только на растяжение. Распор Нв, суммируясь с положительным распором в нижней оболочке 2, направленным внутрь пролета, приводит к меньшим суммарным значениям, по сравнению с воздухоопорными системами, в которых обе оболочки оказывают положительный распор, а также по сравнению с воздухонесомыми системами, отрицательный распор которых ничем не компенсируется;
- газ, содержащийся в контуре 6 под избыточным давлением, оказывает поддерживающий эффект на пневмопанели, состоящие из элементов 1, что снижает их деформативность и позволяет воспринимать более значительные нагрузки без выключения из работы;
- конструкция, обладая двумя воздушными камерами, имеет повышенные теплоизоляционные характеристики;
- прогибы верхнего пояса предлагаемой системы, достигающие максимальных значений от неравномерных и несимметричных внешних нагрузок, допускается не ограничивать из эстетико-психологических требований (п.10.4 СНиП 2.01.07-85*), т.к. верхний пояс скрыт от обзора нижним поясом, деформации которого всегда равномерны (из-за равенства давления воздуха во всех точках);
- сокращается расход материалов, т.к. система не требует применения внутренних распорок и жесткого центрального барабана, а сечение опорного контура 47 уменьшается из-за снижения величины распора.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ермолов В.В. Пневматические строительные конструкции / В.В.Ермолов, У.У.Бэрд, Э.Бубнер и др.; Под ред. В.В.Ермолова. - М.: Стройиздат, 1983. - 439 с., ил.
2. Ермолов В.В. Пневматические конструкции воздухоопорного типа / В.В.Ермолов, А.С.Воблый, А.И.Маньшавин и др.; Под ред. В.В.Ермолова. - М.: Стройиздат, 1973. - 288 с., ил.
3. Отто Ф. Пневматические строительные конструкции. Конструирование и расчет сооружений из тросов, сеток и мембран / Ф.Отто, Р.Тростель; Пер. с нем. А.А.Гогешвили. - М.: Издательство литературы по строительству, 1967. - 320 с., ил.
4. Пат. 5027564 США, E04H 15/64, E04B 1/32, E04H 15/32, E04H 15/20, E04B 001/345. Building construction with a chamber which can be acted upon by a fluid medium / R.Lechner (ФРГ), 02.07.1991. Заяв. 04.05.1989.
5. Пат. 4878322 США, A01G 9/14, E04H 15/20, E04B 001/345. Insulating plastic film structures and method / G.Ikeda (США), W.B.Walker (США), 04.11.1989. Заяв. 05.08.1988.
6. Пат. 4114325 США, E04H 15/20, E04B 001/34. Inflatable structure / A.Hochstein (ФРГ), 19.09.1978. Заяв. 27.07.1977.
7. Пат. 511472 США, E04H 15/20. Tubular structure filled with gaseous fluid / J.A.Sumovski (Россия), 26.12.1893. Заяв. 17.10.1892.
8. A.c. 548691. Российская Федерация, E04B 1/345. Пневматическая арка / А.А.Охотников, В.В.Ермолов, Г.Л.Червяков, Ю.Г.Анцыгин, Г.Н.Пакушин, Н.А.Мухаметшин (СССР). - Заяв. 22.09.1975. Опубл. 28.02.1977.
9. Пат. 3247627 США, E04H 15/20. Dual wall air inflated structure / W.W.Bird (США), 26.04.1966. Заяв. 25.09.1962 (Прототип).
10. Пат. 4676032 США, E04H 15/20, E04B 001/34. Inflatable wall structure / P.Jutras (Канада), 30.06.1987. Заяв. 28.10.1983.
11. Пат. 6282842 США, E04H 15/20, E04H 003/10. Inflatable roof support systems / R.R.Simens (США), 04.11.2001. Заяв. 19.04.1999.
12. A.c. 435334, Российская Федерация, E04B 1/345, E04B 7/14. Пневматическое покрытие зданий и сооружений / А.А.Гогешвили, Л.П.Чекалёв (СССР). - Заяв. 01.02.1972. Опубл. 28.04.1975.
13. Пат. 3835599 США, E04H 15/22, E04H 15/20, E04B 001/345. Roof construction / D.H.Geiger (США), 17.09.1974. Заяв. 10.01.1973.