Мембранно-каркасное сооружение

 

Изобретение относится к наземному строительству и может быть использовано при строительстве сельскохозяйственных сооружений с пролетами 9-24 м. Цель - снижение материалоемкости и повышение эксплуатационной надежности. Оригинальность изобретения основана на двух идеях. Первая из низ заключена в эффективном способе натяжения оболочки на опорный контур за счет арок, наклонно установленных на шарнирные опорные части, и талрепов, прикрепляющих оболочку к опорному контуру. Простота раскроя оболочки, герметичность внутреннего помещения, рациональное распределение внутренних усилий - основа экономичности сооружения. Идея эта может быть положена в основу целого класса новых арочно-мембранных систем, в которых оболочка выполнена, к примеру, из тонколистовой нержавеющей стали. Прочность мембраны в таких предварительно напряженных системах предопределяет их повышенную пространственную жесткость. Сооружение включает расположенный по периметру сооружения жесткий опорный контур в плане по двум параллельным линиям, соединенным по концам симметричными дугами окружности, концевые и вертикальные промежуточные арки кругового очертания и одинакового пролета опираются на опорный контур, шарнирные опорные части, установленные под концевыми арками, опирающуюся на арки мембранную оболочку сооружения, состоящую из полотнищ и скрепленную с опорным контуром при помощи талрепов, и воздухонагнетательный вентилятор с воздуховодом для подачи воздуха под оболочку и датчиком давления воздуха под оболочкой, регулирующим воздухоопорный режим эксплуатации сооружения. Опорный контур выполнен в виде жесткой герметичной трубы, промежуточные арки жестко прикреплены к опорному контуру, концевые арки наклонены к торцам под углом 45-60^o к вертикали, а мембранная оболочка, состоящая из средней и двух торцевых полотнищ, герметично скрепленных с концевыми арками по всей длине арок, предварительно растянута вдоль и поперек сооружения при помощи талрепов. Сооружение снабжено датчиками напряжений в арках, автоматически включающими воздухоопорный режим эксплуатации сооружения при значениях внешних нагрузок, превышающих нормативные. 1 табл. 3 ил.

Изобретение относится к наземному строительству и может быть использовано при строительстве сельскохозяйственных сооружений с пролетами 9-24 м.

Известно мембранно-каркасное сооружение, прямоугольное в плане, включающее ленточный фундамент, установленный на него каркас, состоящий из металлических арок, скрепленных связями, и металлическую мембранную оболочку, опертую на каркас и скрепленную с ним /1/.

Однако такое сооружение характеризуется высокой материалоемкостью и является стационарным, т. е. перемещениям на местности не подлежит /1,2/.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является мобильное мембранно-каркасное сооружение, включающее расположенный по периметру сооружения опорный контур, подвижные концевые и неподвижные промежуточные арки кругового очертания, опирающиеся на опорный контур через опорные части, и опирающуюся на арки мембранную оболочку, скрепленную с опорным контуром при помощи талрепов. Сооружение снабжено воздухонагнетательным вентилятором с воздуховодом и датчиком давления воздуха, регулирующим воздухоопорный режим эксплуатации сооружения. Мягкая оболочка поддерживается жестким каркасом, на который она ложится на то время, когда торец сооружения полностью открыт для пропуска техники. Объединенные связями легкие арки рассчитаны на кратковременные нагрузки от собственного веса оболочки и действия ветра ограниченных скоростей, в пределах которых разрешено открывать торец сооружения. Сооружение является сборно-разборным и, следовательно, мобильным, т. е. при необходимости оно может быть перемещено на другое место /3/.

Недостатком известного сооружения является его невысокая экономическая эффективность из-за большой материалоемкости и трудоемкости изготовления.

Технической задачей является снижение материалоемкости и повышение эксплуатационной надежности сооружения. Указанная задача достигается тем, что в мобильном мембранно-каркасном сооружении, включающем расположенный по периметру жесткий опорный контур, концевые и вертикальные промежуточные арки одинакового пролета, опирающиеся на опорный контур, шарнирные опорные части, установленные под концевыми арками, опирающуюся на арки мембранную оболочку, скрепленную с опорным контуром при помощи талрепов, и воздухонагревательный вентилятор с воздуховодом и датчиком давления воздуха, регулирующим воздухоопорный режим эксплуатации сооружения, опорный контур выполнен в виде жесткой герметичной трубы, промежуточные арки жестко прикреплены к опорному контуру, концевые арки наклонены к торцам, мембранная оболочка, состоящая из средней и двух торцевых полотнищ, герметично скрепленных с концевыми арками, предварительно растянута при помощи талрепов, а сооружение снабжено датчиками напряжений в арках, автоматически включающими воздухоопорный режим эксплуатации сооружения при значениях нагрузок, превышающих нормативные.

Проведем сопоставительный анализ отличительных признаков изобретения и прототипа.

Оригинальность изобретения основана на двух идеях. Первая из них заключена в эффективном способе натяжения оболочки на опорный контур за счет арок, наклонно установленных на шарнирные опорные части, и талрепов, прикрепляющих оболочку к опорному контуру.

Простота раскроя оболочки, герметичность внутреннего помещения и рациональное распределение внутренних усилий основа экономичности сооружения. Идея эта может быть положена в основу целого класса новых арочно-мембранных систем, в которых оболочка выполнена, к примеру, из тонколистовой нержавеющей стали. Прочность мембраны в таких предварительно напряженных системах предопределяет их повышенную пространственную жесткость.

Вторая идея применение воздухоопорного режима в арочно-мембранных системах для восприятия лишь сверхнормативных нагрузок.

Уязвимость прототипа при мембранно-каркасном режиме эксплуатации - причина частых аварий. Это существенный недостаток. Для предлагаемого здания многоцелевого назначения несущая конструкция должна быть надежней. Известно, что природа экономична, но даже она не создает живых существ и деревьев, которые не были бы способны воспринимать нагрузки, встречающиеся каждодневно. И только в экстремальных условиях у природных созданий подключаются "внутренние резервы", увеличивающие сопротивляемость воздействием. Экономия целесообразна лишь в пределах разумного, когда она не уменьшает срок жизни объекта в несколько раз. Этот недостаток прототипа в изобретении устранен и вместе с тем повышена экономическая эффективность.

На фиг. 1 показано предлагаемое сооружение, вид в проекциях (вид сбоку -1а, вид в плане 1б, вид с торца -1в); на фиг. 2 узел крепления мембранной оболочки к опорному контуру; на фиг. 3 -вид по А-А на фиг.2.

Сооружение включает расположенный по периметру сооружения жесткий опорный контур 1, очерченный в плане по двум параллельным линиям, соединенным по концам симметричными дугами окружности, концевые 2 и вертикальные промежуточные 3 арки кругового очертания и одинакового пролета, опирающиеся на опорный контур 1, шарнирные опорные части 4, установленные под концевыми арками 2, опирающуюся на арки 2, 3 мембранную оболочку сооружения, состоящую из полотнищ 5, 6 и скрепленную с опорным контуром 1 при помощи талрепов 7, и воздухонагнетательный вентилятор 8 с воздуховодом 9 для подачи воздуха под оболочку и датчиком 10 давления воздуха под оболочкой, регулирующей воздухоопорный режим эксплуатации сооружения.

Опорный контур 1 выполнен в виде жесткой герметичной трубы, промежуточные арки 3 жестко прикреплены к опорному контуру 1, концевые арки 2 наклонены к торцам под углом 45-60^o к вертикали, а мембранная оболочка, состоящая из средней 5 и двух торцевых 6 полотнищ, герметично скрепленных с концевыми арками по всей длине арок, предварительно растянута вдоль и поперек сооружения при помощи талрепов 7. Сооружение снабжено датчиками 11 напряжений в арках, автоматически включающими воздухоопорный режим эксплуатации сооружения при значениях внешних нагрузок, превышающих нормативные.

На фиг. 1 оконные проемы показаны с торца сооружения, окна могут устраиваться и с фасада. Оконные рамы представляют собой жесткие обрамления мембраны.

Мембранная оболочка может быть показана на фиг. 1 слегка провисшей в пролетах между промежуточными арками, как это имеет место при мембранно-каркасном режиме эксплуатации, но следует учесть и то, что при воздухоопорном режиме эксплуатации мембранная оболочка будет подниматься над промежуточными арками, если она не прикреплена к промежуточным аркам самонарезными винтами.

Торцевые полотнища 5, 6, очерченные на конечной стадии монтажа по вертикальным цилиндрическим поверхностям, по концам надрезаны и обернуты вокруг проволоки 12 (см. фиг. 2) и прикреплены к уголкам 13 при помощи накладок 14 и болтов 15. В свою очередь уголки 13 прикреплены к кронштейнам 16, усилены косынками 17. В плоскостях расположения промежуточных арок 3 опорный контур 1 может быть усилен затяжками 18.

Опишем работу предлагаемого сооружения.

Проектируемые конструкции сооружения рассчитываются лишь на действие нормативных нагрузок, имеющих, как известно, значения ниже расчетных примеров в полтора раза, что снижает материалоемкость и стоимость сооружения. В основном применяется мембранно-каркасный режим работы сооружения, не требующий от людей специальной квалификации и соблюдения сложных инструкций по эксплуатации сооружения.

Воздухоопорный режим включается лишь в экстремальных условиях эксплуатации сооружения, когда значения ветровых, снеговых, температурных, сейсмических и других нагрузок превышают нормативные. Включается воздухоопорный режим автоматически, а выключается людьми.

Разработанное на первом этапе сооружение, проектируемое на действие расчетных нагрузок (коэффициенты перегрузки п 1,4 для снега и п 11 для собственного веса) экономически эффективнее аналога.

На втором этапе разработанное сооружение совершенствуется. Для этого оно снабжается всем необходимым для обеспечения воздухоопорного режима эксплуатации. Воздухоопорный режим, включаемый лишь при случайных перегрузках (возникающих настолько редко, что при обтекаемой форме сооружения их может не быть в течение многих лет эксплуатации сооружения) позволяет запроектировать конструкцию сооружения на действие нормативных нагрузок и тем самым повысить экономическую эффективность сооружения. При этом материалоемкость сооружения такова, чтобы сооружению не быть поднятым ветром при возникновении подъемной силы. Воздухонагнетательный вентилятор может быть использован для вентиляции сооружения, а снабженный нагревательным элементом и для обогрева. По сравнению с прототипом в предлагаемом сооружении устраняется один из главных недостатков прототипа высокая деформативность и уязвимость оболочки.

Мягкую оболочку нельзя скреплять с металлическими арками во избежание разрывов, ее легко проколоть и разрезать ножом, эксплуатация таких сооружений требует охраны и высокой культуры эксплуатации (по статистике, 92 всех аварий прототипа случается по вине лиц, не соблюдающих инструкций по эксплуатации и монтажу). Образование снеговых и водных мешков на оболочке, возгораемость, "полоскание" от ветра, сопровождающееся разрывами, сложность герметизации, концентрация напряжений при раскрое, сложность обрамления проемов все это недостатки прототипа, устраненные в предлагаемом сооружении. Если долговечность прототипа составляет обычно 10 лет, то долговечность предлагаемого сооружения 50 лет свидетельствует об экономической эффективности нового сооружения. Перед авторами изобретения стояла задача создать такое мобильное, надежное, экономичное и в то же время достаточно универсальное сооружение, чтобы оно могло служить жилым домом, лабораторией, цехом, магазином, спортзалом, госпиталем и т. п. чтобы оно могло быть приемлемо и для производственников, и для военных, и для медиков, и для геологов, и для полярников, и для фермеров. Такое сооружение должно быть мобильным, т. е. приспособленным к передвижению на местности в пределах нескольких километров, а по воде на большие расстояния. И конечно же, эксплуатация такого сооружения не должна причинять много хлопот его владельцам.

Разработка рационального сооружения проведена авторами в два этапа. Первый этап состоял в создании рационального мембранно-каркасного сооружения, роль прототипа для которого мог бы выполнить указанный авторами аналог.

При этом применимы также идеи создания рациональных металлоконструкций, как идея концентрации материала (многочисленные гибкие арки заменены на несколько более мощных арок, способных за счет опорного контура и предварительно натянутый на арки мембраны работать без ветровых связей), идея растянутых поверхностей, идея предварительного напряжения и идея совмещения функций, когда ограждающая функция мембраны совмещена с несущей см. /2/.

Положительный эффект изобретения заключается в повышении экономической эффективности сооружения за счет повышения надежности и долговечности, упрощения конструкции и технологии изготовления и монтажа, снижения эксплуатационных затрат.

Изготовление арочного каркаса и мембранной оболочки из материалов сопоставимой жесткости, например, из металла делает сооружение особо надежным и долговечным.

Жесткое прикрепление промежуточных арок к опорному контуру и значительное натяжение мембранной оболочки на арки и опорный контур освобождают от необходимости устраивать ветровые связи и позволяют увеличить расстояние между арками, что упрощает конструкцию сооружения. Простота раскроя мембранной оболочки и объединение элементов сооружения между собой болтами и сваркой упрощают изготовление и монтаж конструкции.

Изготовление опорного контура в виде трубы позволяет перевозить сооружение на другое место при помощи катков (или колес) и механизированной тяги и устанавливать на любых грунтах, вплоть до болот и водной поверхности рек. В последних случаях сооружение эксплуатируется в воздухоопорном режиме, обеспечивающем плавучесть сооружения на основе воздушной подушки.

Формула изобретения

Мембранно-каркасное сооружение, включающее расположенный по периметру сооружения опорный контур, концевые и вертикальные промежуточные арки одинакового пролета, опирающиеся на опорный контур, шарнирные опорные части, установленные под концевыми арками, опирающуюся на арки мембранную оболочку, скрепленную с опорным контуром при помощи талрепов, воздухонагревательный вентилятор с воздуховодом и датчиком давления воздуха, регулирующим вохдухоопорный режим эксплуатации сооружения, отличающееся тем, что опорный контур выполнен в виде жесткой герметичной трубы, промежуточные арки жестко прикреплены к опорному контуру, концевые арки наклонены к торцам, а мембранная оболочка, состоящая из среднего и двух торцевых полотнищ, герметично скрепленных с концевыми арками, предварительно растянута при помощи талрепов, при этом сооружение снабжено датчиками напряжений в арках, автоматически включающими воздухоопорный режим эксплуатации сооружения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5