КОМБИНИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПОКРЫТИЯ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве покрытия большепролетных зданий и сооружений преимущественно промышленного назначения.
Известные конструкции покрытий большепролетных зданий и сооружений состоят из решетчатого каркаса и ограждающих панелей в виде металлических или железобетонных плит, а также профилированного настила. Каркас состоит из металлических структур, либо стропильных и подстропильных ферм, объединенных связями.
Недостатки известного решения следующие:
- малая светопроницаемость покрытия;
- значительный собственный вес;
- пониженная долговечность конструкций покрытия, эксплуатируемых в условиях газо-воздушной среды, содержащей агрессивные компоненты и имеющей повышенную влажность.
Для решения первой проблемы традиционно применяются фонарные конструкции, которые создают дополнительные нагрузки на каркас, в том числе вследствие образования снеговых мешков в зонах перепада высот.
Существенное увеличение светопроницаемости покрытия, влекущее снижение затрат на внутреннее освещение, а также уменьшение собственного веса кровли достигается применением пневматических конструкций, состоящих из мягких оболочек, наполненных газом, находящимся под избыточным давлением [1, 2, 3].
Повышение несущей способности и снижение деформативности пневматических покрытий достигается опиранием полимерных оболочек на несущие конструкции каркаса. Полимерные оболочки химически инертны и могут без ущерба эксплуатироваться в условиях агрессивных сред, в отличие от металлоконструкций, на которые они опираются.
Известно решение [4], в котором большая часть конструкций каркаса находится внутри герметичной пневматической оболочки и не подвержена негативному влиянию окружающей среды. Вместе с тем, решение [4], сохраняющее несущую способность только при условии поддержания избыточного давления во внутренней полости, отличается сложностью эксплуатации из-за ограниченного доступа к конструкциям каркаса.
Известны решения [5-6], в которых основные металлоконструкции покрытия отделены от основного объема здания стальной мембраной, расположенной в уровне нижних поясов стропильных ферм. Решения [5-6] позволяют защитить стропильные конструкции, связи и кровельный настил от агрессивного воздействия внутренней газо-воздушной среды здания (например, промышленного цеха). Недостатки решений [5-6]:
- мембрана из тонколистового металла, подвержена коррозионным повреждениям (особенно, в зоне узловых соединений, где возможны дефекты лакокрасочного покрытия), ограничивающим срок ее службы, либо должна выполняться из дорогостоящих нержавеющих сплавов;
- возможность проникновения коррозионно-агрессивных веществ в пространство покрытия через неплотности и щели стальной мембраны;
- повышенные расходы на внутреннее освещение из-за непрозрачности покрытия.
Известно решение [7], принятое за ПРОТОТИП, состоящее из верхней пневмопанели в форме цилиндрической или куполообразной поверхности и тентовой или пленочной оболочки, расположенной под пневмопанелью, и образующей вместе с ней замкнутый контур, содержащий газ под избыточным давлением. Оболочка опирается на основные несущие конструкции покрытия здания, например, стропильные фермы, находящиеся в агрессивной среде и подверженные коррозии в процессе длительной эксплуатации. Вместе с тем, преимущества решения [7] следующие:
- повышенная несущая способность и пониженная деформативность;
- улучшенные теплотехнические характеристики;
- светопроницаемость;
- сохранение верхней пневматической панелью несущей способности даже при повреждении нижней оболочки и частичной потере давления в нижней полости.
Техническая задача полезной модели - повышение долговечности и несущей способности, а также снижение расходов на эксплуатацию покрытий большепролетных зданий и сооружений преимущественно промышленного назначения.
Технический результат полезной модели достигается применением конструкции покрытия, верхний пояс которой является герметичной пневматической оболочкой, наполненной газом под избыточным давлением и состоящей как минимум из двух слоев тентового или пленочного материала. Совместно с однослойной тентовой или пленочной оболочкой, формирующей нижний пояс, верхний пояс образует замкнутый объем, заполненный газом под избыточным давлением. В замкнутом объеме между верхним и нижним поясами располагаются основные несущие конструкции каркаса покрытия.
Для поддержания покрытия в работоспособном состоянии, замкнутая полость между верхним и нижним поясами является эксплуатируемой и снабжается средствами для доступа и перемещения обслуживающего персонала. В этом случае полость заполняется воздухом.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фиг. 1 приведен поперечный разрез предлагаемой конструкции покрытия (вариант), верхний пояс которой является пневмопанелью, состоящей из воздухонаполненных арочных элементов.
На фиг. 2 приведен фрагмент аксонометрической схемы предлагаемой конструкции покрытия (вариант), верхний пояс которой является двухслойной воздухонаполненной оболочкой, непосредственно опирающейся на каркас.
На фиг. 3 приведен фрагмент аксонометрической схемы предлагаемой конструкции покрытия (вариант), верхний пояс которой является двухслойной воздухонаполненной оболочкой, закрепленной за дополнительные опоры.
На фиг. 4 приведено возможное решение дополнительной опоры (узел А по фиг. 3).
На фиг. 5 и 7 приведены решения нижнего пояса предлагаемой конструкции покрытия, опирающегося на тросовую сеть (вид сверху, варианты).
На фиг. 6 и 8 приведены разрезы 1-1 и 2-2 по фиг 5 и 7, соответственно.
На фиг. 9 приведен разрез 3-3 по фиг 7.
На фиг. 10 приведена схема расположения конструкций, необходимых для доступа и перемещения обслуживающего персонала во внутреннем объеме оболочки покрытия (вид сверху).
Предлагаемое техническое решение (фиг. 1, 2) состоит из герметичной пневматической оболочки 1 и однослойной тентовой или пленочной оболочки 2, которые образуют его верхний и нижний пояса, соответственно, опирающиеся на основные несущие конструкции покрытия 5.
Пневматическая оболочка 1 состоит как минимум из двух слоев 1а и 1б тентового или пленочного материала, которые образуют одну (или более) замкнутую область 3, содержащую газ при повышенном давлении. Под элементами 1 находится замкнутый объем газа 4, ограниченный нижним поясом 2 и боковыми элементами 13.
Основные несущие конструкции каркаса покрытия 5 (например: стропильные фермы или структурные системы) находятся в замкнутом объеме 4, опираются на колонны 11 и объединяются связями 8.
На верхние пояса 6 конструкций 5 опираются оболочки 1 известными способами. При необходимости, промежутки между соседними элементами 1 герметизируются воздухонепроницаемыми полотнищами или лентами 9, приклеиваемыми или привариваемыми к оболочкам 1а.
Внутренний объем 4, во избежание внезапной разгерметизации всего покрытия, разделяется на ряд секторов диафрагмами 12, выполняемыми из гибких полимерных материалов.
При применении двояковыпуклых оболочек 1 (фиг. 2), нижние пояса 1б будут опираться на связи 8 по верхним поясам конструкций каркаса 5 с образованием складок 10. Для увеличения срока службы элементов 1б, оболочки 1 следует приподнять над верхними поясами 6 конструкций каркаса 5, используя дополнительные опоры 14 (фиг. 3).
Одно из возможных решений опор 14 приведено на фиг. 4. Каркас 15 опоры состоит из стоек 15а, связей 15б, распорок 15в и продольных элементов 15г. С верхними элементами 15г соединены продольные элементы 16, предназначенные для крепления воздухонаполненных оболочек. Конструкция элементов 16 известна (например, в [2]). Сверху на каркас 15 уложены стальные панели, утеплитель и гидроизоляция 17. Воздухонепроницаемость узла обеспечивается герметизирующими полотнищами 9.
Для снижения напряжений в тентовой или пленочной оболочке 2, опирающейся на нижние пояса 7 элементов 5, применяются стальные тросы 18 (фиг. 5, 6), располагаемые внутри замкнутого объема 4.
Для ограничения нагрузок на нижние пояса 7 несущих конструкций 5 каркаса покрытия используются тросовые сети (фиг. 7, 8), включающие тросы-подборы 19 и 20, закрепляемые за колонны 11 или надколонные стойки. Крепление оболочки 2 к тросам-подборам 19 и 20, а также крепление тросов-подборов к колоне 11 или надколонной стойке осуществляется известными способами (узлы 21 и 23, фиг. 9).
Обеспечение герметичности замкнутого объема 4 в зоне опирания конструкций каркаса покрытия 5 (например, стропильных ферм) на стальные колонны 11, проходящие насквозь нижний пояс 2, производится различными способами, например, в соответствие с фиг. 9. При этом на колонны 11 устанавливается и приваривается сплошным швом продольная площадка 24, состоящая из настила и опорных балок. С наружной стороны устанавливается одно- или многослойный (из условия обеспечения требуемой теплоизоляции) элемент 13. Крепление полимерных оболочек к площадке 24 осуществляется известными способами, например по узлу 22. Опирание торца элемента 1 и оболочек 13 производится различными способами, например с использованием каркаса 15 и известных опорных узлов 16. Каркасы 15 состоят из элементов 15а - 15г и устанавливаются на опорные балки 26. Примыкание плиты с утеплителем и гидроизоляцией 17 к стене 25 производится известными способами.
Обслуживание конструкций покрытия и эксплуатация внутреннего объема 4 производится следующим образом (фиг. 10). На площадке 24 устанавливается герметичная камера 27, состоящая, например, из стального каркаса и обшивки (условно не показаны). Выход на площадку производится через плотно закрываемый люк 28. Переход в рабочую зону из камеры 27 и перемещение по ходовым площадкам 30 производится через плотно прикрываемые проемы 29.
Потери воздуха и соответствующее снижение давления в замкнутом объеме 4 компенсируются компрессорными установками (условно не показаны). Следует подчеркнуть, что неизбежные утечки, вызываемые открыванием люка 28, неплотностями проемов 29 и мелкими повреждениями оболочек не вызовут значительных перерасходов электроэнергии, требуемой на эксплуатацию компрессорной установки. При значительном кратковременном возрастании нагрузок на покрытие 1 (например, сильный снегопад), с целью уменьшения потерь воздуха, доступ во внутреннюю оболочку 4 может быть запрещен.
В случае серьезных повреждений ограждающих оболочек, разгерметизации всего покрытия препятствуют воздухонепроницаемые диафрагмы 12. Несущая способность элементов каркаса 5 и их поясов 6 и 7, расположенных в зоне повреждения, до завершения ремонтных работ обеспечивается системой связей 8.
К преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие:
1. Повышение долговечности несущих конструкций покрытия за счет:
- расположения конструкций каркаса 5, связей 8 и тросов 18-20, подверженных коррозии, в замкнутом объеме 4, отделенном от агрессивной газо-воздушной среды основной части здания химически инертными полимерными оболочками 2;
- предотвращения проникновения в замкнутый объем 4 покрытия химически агрессивных веществ извне, даже при наличии локальных мелких повреждений оболочек 2, вследствие создания внутреннего избыточного давления;
- возможности регулирования температурно-влажностного режима в объеме 4 для снижения скорости коррозии.
2. Снижение расходов на эксплуатацию покрытия:
- система подачи воздуха в замкнутый объем 4 может включаться по мере необходимости, например, при возросших нагрузках на покрытие в результате снегопада, а большую часть времени находиться в т.н. «спящем режиме»;
- высокая степень светопроницаемости покрытия, ведущая к уменьшению потребности в освещении внутренних помещений;
- повышенные теплотехнические характеристики покрытия, состоящего из нескольких воздушных слоев.
3. Уменьшение нагрузок на основные несущие конструкции каркаса 5 при опирании нижней полимерной оболочки 2 на тросовую сеть, закрепленную за тросы-подборы 19 и 20.
4. Возможность эксплуатации и поддержания в работоспособном состоянии опорных конструкций, находящихся внутри полимерных оболочек.
В связи с тем, что эксплуатируемый объем 4 используется эпизодически, например, при производстве ремонтных работ, величина давления в нем может быть больше, а область применения шире, чем у широко известных воздухоопорных конструкций, предназначенных для длительного пребывания людей.
Прогибы верхнего пояса 1 предлагаемой системы, достигающие максимальных значений от неравномерных и несимметричных внешних нагрузок, допускается не ограничивать из эстетико-психологических требований, т.к. верхний пояс скрыт от обзора нижним поясом, деформации которого всегда равномерны.
ИСТОЧНИКИ
1. Патент США №4114325, E04H 15/20, E04B 001/34, 27.07.1977.
2. Патент США №4878322, A01G 9/14, E04H 15/20, Е04В 001/345, 04.11.1989.
3. Патент США №5027564, E04H 15/64, E04B 1/32, Е04Н 15/32, Е04Н 15/20, Е04В 001/345, 02.07.1991.
4. Патент США №4676032, E04H 15/20, E04B 001/34, 30.06.1987.
5. Пак В.А. Разработка конструкций мембранного подвесного потолка, работающего совместно с нижними поясами ферм покрытий большепролетных промышленных зданий: Дисс. … канд. техн. наук. - М., 1983. - 182 с.
6. Авторское свидетельство СССР №264662, E04g, 03.03.1970.
7. Патент РФ №2463421, Е04Н 15/20, 10.10.2012. (Прототип).