СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СТРЕЛЬЧАТЫХ КУПОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF LANCED DOME DESIGN

Изобретение используется в строительстве для изготовления стрельчатых купольных зданий и сооружений гражданского, промышленного, культового и сельскохозяйственного назначения.
Купольные покрытия применяют для круглых, эллиптических или полигональных в плане зданий и сооружений. Поверхность купола с круговым основанием получается вращением вокруг вертикальной оси меридиональной кривой (образующей) - дуги круга, эллипса, параболы, циклоиды или комбинации из них. Образующей может быть прямая, при вращении которой получается конус (Лебедева Н.В. Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции / Лебедева Н.В.: Учеб. Пособие. - М: «Архитектура - С». 2006. - 120 с., (С. 64). В зависимости от очертания образующей купол может быть шаровым (сферическим), коническим, эллиптическим, стрельчатым, зонтичным и другой формы (Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 94 с. (С. 8). Купол является одной из наиболее рациональных и выгоднейших форм пространственных тонкостенных конструкций (Цай Т.Н. Строительные конструкции. Железобетонные конструкции: Учебник. 3-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань». 2012. - 464 с. (С. 337). Так, например, считается, что среди пространственных жестких систем купольные конструкции по расходу материалов являются самыми экономичными (Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 94 с. (С.7).
Все это позволяет применять купольные сооружения не только при строительстве объектов различного назначения, но и в различных климатических зонах, в том числе и в условиях сурового климата (там же, С. 8), например, на Луне и других космических объектах нашей планетной системы.
В настоящее время наиболее востребованным материалом для возведения самых разнообразных сооружений во всех странах применяют бетон и железобетон. Это связано с практически неисчерпаемыми запасами сырья на планете Земля для производства вяжущих и заполнителей бетона. Однако, помимо достоинств монолитного бетона и железобетона, имеются и недостатки данного вида строительства, как, например, большая трудоемкость выполнения работ. Так, например, в общем объеме трудовых затрат на выполнение монолитных работ опалубочные работы составляют от 18 до 50%, арматурные - 15-20% и бетонные - до 50% в зависимости от вида строительства, типа и размеров бетонируемых конструкций, применяемых систем опалубок и т.п. (Василенко, А.Н. Проектирование и возведение монолитных зданий и сооружений с применением пневматической опалубки: учеб. пособие / А.Н. Василенко; Воронеж. гос. арх. - строит. ун-т. - Воронеж, 2010. - 180 с. (С. 3-4).
Предпочтительным способом сооружения монолитных бетонных купольных пространственных конструкции в настоящее время считается способ с применением пневматической опалубки (Лебедева Н.В. Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции / Лебедева Н.В..: Учеб. Пособие. - М.: «Архитектура-С». 2006. - 120 с., (С. 70). К недостаткам таких способов изготовления монолитных купольных сооружений относятся сложность возводимой конструкции, необходимость применения большого количества жидкого бетона и технологии торкретирования (пневмонабрызга), а также торкрет-пушки, что сопровождается неизбежными потерями бетонной смеси. Кроме того, использование большого количества бетона или другого подобного материала при изготовлении монолитных бетонных куполов с применением пневматической опалубки затруднительно или практически невозможно в отдаленных, труднодоступных местностях и в условиях сурового климата, например, на Луне.
В связи с этим, нами предложен достаточно простой способ возведения купольных сооружений на пневматической опалубке с помощью кирпичей, камней или блочных изделий, изготавливаемых из местных материалов без использования цементных растворов (например, изготовление блочных изделий из местного материала «реголита» в условиях Луны) или с применением относительно небольшого количества цементных растворов (в условиях Земли).
Пневматическая опалубка не требует больших затрат на транспортирование, монтаж и эксплуатацию. С помощью такой опалубки можно возводить конструкции в самых труднодоступных местах. Важными преимуществами пневмоопалубок является их малая масса, высокая оборачиваемость и низкая трудоемкость монтажа и демонтажа.
Купольные строительные конструкции известны человечеству с древних времен. Их применяли в Месопотамии, Сирии, Иране, Древнем Риме (Тур В.И. Купольные конструкции: формообразование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2004.-94 с. (С. 7). Основным материалом для строительства куполов был камень. Древние купола имели пролет до 30-40 м, а их толщина составляла от 1/15-1/17 диаметра в основании до 1/30-1/40 в верхней части. Однако способ возведения каменных куполов на сплошных лесах и подмостях, повторяющих геометрию купола, сложен и требует больших затрат.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ возведения купольных конструкций, включающий установку опалубки, укладку кирпичей последовательными рядами по направлению от опорного кольца купола к его ключу и разработку опалубки. Для осуществления данного способа изготавливают сплошную опалубку, кружала и поддерживающие их элементы (Н.И. Аистов, Б.Д. Васильев, В.Ф. Иванов и др. История строительной техники. - Л.: Госстройиздат, 1962, стр. 123).
Недостатком известного способа возведения каменных купольных сооружений является достаточная сложность, большой расход материалов и трудовых затрат на изготовление, установку и разборку опалубки, кружал и поддерживающих их элементов.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в снижении расхода материалов и трудовых затрат на изготовление, установку и разборку опалубки при возведении купольных конструкций, в простоте кладки строительного материала, и расширении географии возведения подобных сооружений.
Технический результат достигается тем, что в способе возведения купольных конструкций, включающий установку опалубки, укладку кирпичей последовательными рядами по направлению от опорного кольца купола к его ключу и разработку опалубки, в качестве формы купольной конструкции используют стрельчатую форму, а в качестве опалубки - пневматическую опалубку из эластичного материала, которая изготавливаться, как минимум, из трех герметично соединенных секций, верхняя из которых представляет собой прямой круговой конус, образующая которого наклонена к его основанию под углом в 45°, а высота и радиус основания составляют 7/10 частей от радиуса основания купола, средняя секция является слоем сферы, меньший радиус которой равен радиусу основания конусной части опалубки, а больший радиус равен радиусу основания купола, нижняя секция укладывается на строительную площадку и является кругом, радиус которого равен радиусу основания купола, а для формирования оболочки купольной конструкции используют кирпичи или другие блочные изделия, длина которых больше их удвоенной толщины, и которые укладывают горизонтальными рядами параллельно основанию, причем одними торцами блоки упираются в оболочку опалубки и образуют внутреннюю поверхность купола, а другие торцы изделий образуют его наружную поверхность.
2
2
Для того чтобы оценить равноценность замены сферической формы купола (прототип) стрельчатой конструкцией (изобретение) были проведены сравнительные испытания моделей этих куполов. В экспериментах оценивалась прочность при сжатии моделей куполов на гидравлическом прессе. Купола изготавливались из гипса на пневмоопалубке. Для изготовления стрельчатых куполов использовались предварительно подготовленные гипсовые блочные изделия габаритами 3,5×7,0×7,8 мм. Каждый горизонтальный ряд формировался кладкой в два гипсовых изделия. Формирование куполов производилось на резиновой надувной пневмоопалубке, диаметром 86 мм. Толщина стенок у основания куполов составляла 16 мм, а на вершине - 10 мм. На изготовление каждого стрельчатого купола понадобилось в среднем около 700 шт. гипсовых изделий. На рис. 1 приведены фотографии модели стрельчатого купола в разных ракурсах: А - вид сбоку, Б - вид сверху, В - вид снизу. На купола устанавливались массивные цилиндрические гипсовые блоки, в торцах которых были углубления, по форме повторяющие конфигурацию верхних частей куполов. Габариты опорного пояса моделей куполов были одинаковыми. Удельное давление разрушения сферического купола при сжатии составило 4,24 мПа (43,2 кгс/см), а стрельчатого - 5,15 мПа (51,5 кгс/см), т.е. прочность стрельчатого купола оказалась на 14% больше прочности сферического купола. Таким образом, была показана равноценность замены сферического купола стрельчатым.
Ниже приведены примеры способов изготовления стрельчатых купольных сооружений в соответствии с предлагаемым изобретением в условиях Земли и Луны.
1. Способ изготовления купольных стрельчатых сооружений на Земле Составляется проект купола, на основании которого оцениваются форма, размеры и материал пневматической опалубки, вид, форма и количество используемых кирпичей или блоков, которые изготавливаются из керамических, бетонных или других местных природных материалов. Длина используемых блочных изделий должна быть больше их удвоенной толщины. При необходимости заказывают некоторое количество фасонного и клинового кирпича, изготовленного по специальному лекалу. Такой кирпич понадобится, например, при изготовлении верхней, конусной части купола. Кроме того, в случае применения фасонных кирпичей со скошенными или закругленными торцами внутренняя и наружная поверхности купола становятся более ровной, а значит более подходящей для нанесения каких-либо декоративных или защитных покрытий. Кроме того, в этом случае снижается расход применяемого строительного материала и его стоимость. Для изготовления опалубки используют прочную прорезиненную ткань или полимерную пленку. Опалубку раскраивают по специальным выкройкам, сшивают, швы проклеивают тем же материалом. В соответствии с предлагаемым изобретением конструкция пневмоопалубки, как минимум, должна состоять из трех частей - верхней, конусообразной, средней, в виде слоя сферы и нижней, в виде круга, являющегося основанием опалубки. Причем, угол наклона образующей верхнего конуса к основанию опалубки должен составлять 45 градусов. Только в этом случае возможна укладка кирпичей параллельно основанию купола. После этого готовят строительную площадку. С этой целью площадку выравнивают и при необходимости изготавливают ленточный фундамент. Опалубку закрепляют по контуру основания, затем в нее нагнетают воздух под давлением 0,05 Мпа (0,49 атм). Затем в случае необходимости устанавливают на поверхности пневмоопалубки опалубки, формирующие проемы окон и дверей. После подготовки опалубки производят кладку кирпича горизонтальными рядами по направлению от опорного кольца купола к вершине конусной части опалубки. На рис. 2 показано вертикальное сечение стрельчатого купола на пневмоопалубке, изготовленное из блочных изделий «в один ряд», где 1 - блочные изделия, 2 - основание, 3 - трубопровод для нагнетания воздуха, 4 - пневмоопалубка. Для повышения прочности купола проводят кладку в два кирпича и больше. Кладка ведется с продольной перевязкой швов. После выкладывания оболочки купола производится демонтаж пневмоопалубки. После изготовления купола его ступенчатая наружная поверхность может быть оштукатурена. При необходимости, изготовленная купольная конструкция может использоваться в качестве подземного убежища. В этом случае купол возводится в заранее подготовленном углублении, после чего покрывается специальными защитными покрытиями и засыпается грунтом. В этом случае ступенчатая наружная поверхность купола способствует более прочному сцеплению с насыпным грунтом.
2. Способ изготовления купольных стрельчатых сооружений на Луне
Купольное сооружение в условиях Луны может быть использовано как внешняя защитная оболочка стационарной обитаемой станции. В связи со значительной отдаленностью Луны строительные материалы для строительства купола предполагается изготавливать из лунного вещества.
Как показали дозиметрические исследования образцов лунного вещества, доставленного с поверхности Луны советскими космическими аппаратами, интенсивность гамма-излучения лунного грунта незначительно превышает интенсивность гамма-излучения земных пород с малым содержанием естественных радиоактивных элементов (За лунным камнем. Алексеев В, Лебедев В.:М., «Машиностроение», 1972, с. 120 (С. 37). Это говорит о том, что лунное вещество - реголит можно вполне безопасно использовать как строительный материал для возведения купола. Реголит - это рыхлый обломочно-пылевой поверхностный материал, который состоит из изверженных пород, минералов, метеоритов, содержит алюминий, железо и титан, покрывающий многометровым слоем поверхность естественного спутника Земли. Реголит представляет собой мелкодисперсный порошок, который легко слипается и формуется в отдельные комки. По химическому составу вещество лунного грунта представляет собой остеклованную породу базальтового типа (там же, С. 42).
Для строительства купола предполагается использовать реголит, из которого можно прессованием с одновременным спеканием каким-либо способом формовать керамические блоки. Скреплять блоки между собой можно будет, например, с помощью композиции на основе воды, загущенной натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы, которая после нанесения на поверхности блоков превращается в лед и прочно их скрепляет. Данное предположение основано на результатах исследований, проведенных американскими автоматическими межпланетными станциями (АМС) в 2009 году. На одном из АМС был установлен российский прибор ЛЕНД-детектор, предназначенный для поиска замерзшей воды. В районе южного полюса Луны было обнаружено большое количество водорода, который может быть признаком наличия воды в связанном состоянии (Поиск замерзшей воды. Е.Левитан. Наука и жизнь, №4, 2010. С. 81-85).
Строительная площадка для возведения купола оборудуется в углублении подходящего кратера в полярных областях Луны, где возможно наличие линз водяного льда в затененных кратерах. Подготавливается основание, на котором закрепляется пневмоапалубка, после чего ее наполняют каким-либо газом. На поверхности пневмоопалубки монтируют опалубку, формирующую шлюзовой выход из станции. После строительства купола проводят демонтаж опалубки. Затем купол засыпается слоем лунного грунта толщиной не менее полутора метров, на который укладываются блоки из реголита. Такая конструкция необходима для защиты обитателей станции от гамма-излучения и метеоритов. Внутри купола устанавливается жилой надувной модуль. При необходимости рядом устанавливаются еще несколько защитных куполов, связанных между собой защищенными тоннелями.