БЫСТРОВОЗВОДИМОЕ  МЕМБРАННО-КАРКАСНОЕ  СООРУЖЕНИЕ  УНИВЕРСАЛЬНОГО  НАЗНАЧЕНИЯ

Амоян  Миша  Фрикович

Костюхина  Мария  Владимировна

Поляков  Юрий  Александрович

студенты  2  курса,  института  САДИ,  СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.,  РФ,  г.  Саратов

E -mail:  ezid-007@yandex.ru

Ким  Алексей  Юрьевич

научный  руководитель,  д-р  техн.  наук,  профессор  кафедры  ТСК,  СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.,  РФ,  г.  Саратов

Как  показал  международный  опыт  строительства  транспортабельных  сооружений  в  течение  последних  десятилетий,  к  наиболее  эффективным  и  надежным  сооружениям  относятся  легкие  мембранно-пневматические  и  усиленные  вантами  воздухоопорные  и  линзообразные  системы.  Экономичные  предварительно  напряженные  мембранно-пневматические  системы  легких  вантовых  сооружений  получили  развитие  лишь  в  двадцатом  веке,  но  в  настоящее  время  они  всё  чаще  возводятся  в  мире  и  все  больше  привлекают  внимание  инженеров  [4,  5].

Согласно  общепринятой  в  Российской  Федерации  классификации  мембранно-пневматические  покрытия  можно  разделить  на  три  группы:  1)  воздухоопорные  покрытия;  2)  воздухонесомые  покрытия;  3)  линзообразные  покрытия  [7].

Воздухоопорное  сооружение  представляет  собой  закреплённую  по  кон-туру  мягкую  оболочку,  под  которую  непрерывно  закачивается  воздух.  Для  противодействия  внешним  нагрузкам  давление  воздуха  под  оболочкой  несколько  превышает  атмосферное.  Вследствие  небольшого  (200—500  Па)  избыточного  давления  воздуха  и  непрерывной  подачи  его  вентилятором  особых  требований  к  герметичности  оболочки  не  предъявляется.  Воздухоопорные  оболочки  крепятся  к  опорному  контуру  и  снабжаются  входными  шлюзами.

Воздухонесомые  конструкции  —  это  надувные  системы,  включающие  пневмостержни  или  пневмопанели,  несущая  способность  которых  обеспечивается  избыточным  давлением  воздуха  в  них.  Это  отдельные  конструктивные  элементы  с  высоким  внутренним  давлением  воздуха  (10—25  кПа),  требующим  и  высокой  степени  герметизации  оболочек.  Например,  пневмоарки,  образующие  полуцилиндрический  свод,  —  типичный  представитель  воздухонесомых  конструкций.  Устройства  входных  шлюзов  в  воздухонесомых  конструкциях  не  требуется,  так  как  давление  воздуха  во  внутреннем  помещении  сооружения  равно  атмосферному.

Линзообразные  конструкции  -  это  двухпоясные  покрытия.  Их  часто  называют  пневмолинзами,  если  они  перекрывают  круглый,  овальный  или  многоугольный  план,  или  пневмоподушками,  если  план  прямоугольный.

Пневмолинзы  по  принципу  статической  работы  можно  отнести  к  сооружениям  воздухоопорного  типа,  а  по  такому  признаку,  как  отсутствие  избыточного  давления  в  эксплуатируемом  помещении,  их  часто  относят  к  воздухонесомым  системам.  Пневмолинза  представляет  собой  не  здание  в  целом,  а  лишь  один  из  его  конструктивных  элементов  —  покрытие.

Как  пишет  В.В.  Ермолов  [7],  первый  в  мире  воздухоопорный  купол  был  смонтирован  американским  инженером  У.  Бэрдом  в  1948  году.  Вслед  за  этим  во  многих  европейских  странах  и  в  Японии  началось  интенсивное  строительство  пневматических  сооружений.  Общее  число  их  во  всём  мире  составляло  в  1972  году  20  тысяч,  в  1976  —  50  тысяч,  в  2005  —  более  100  тысяч  сооружений.  К  2014  году  пневматическими  сооружениями  перекрыто  более  50  млн.  кв.  м  полезной  площади.

Воздухоопорные  сооружения  отличаются  простотой  конструкции,  безопасностью  и  безотказностью  при  эксплуатации.  При  низкой  стоимости  они  способны  перекрывать  большие  пролёты,  а  при  постановке  внутренних  оттяжек  —  и  неограниченные  площади.

Статистика  шестидесятых  годов  двадцатого  века  свидетельствует,  что  в  основном  это  складские  помещения  (50—60  %),  либо  покрытия  спортивных  сооружений  (20—30  %),  либо  выставочные  павильоны,  укрытия  строительно-монтажных  площадок  и  другие  сооружения  (10—15  %).

Особенность  данного  момента  состоит  в  том,  что  теория  достаточно  точного  нелинейного  расчета  мембранно-пневматических  сооружений  находится  ещё  в  начальной  стадии  разработки.  Сложилась  ситуация,  в  которой,  с  одной  стороны,  всеми  признана  необходимость  в  создании  легких  сооружений  больших  пролетов  для  промышленности,  сельского  хозяйства,  спорта,  торговли,  министерства  обороны,  министерства  чрезвычайных  ситуаций  и  так  далее.  С  другой  стороны,  несмотря  на  серьезную  научную  работу,  проделанную  отечественными  и  зарубежными  учёными  в  области  проектирования  мембранно-пневматических  сооружений,  сказывается  несовершенство  существующей  теории  их  расчёта.  В  настоящее  время  отсутствуют  методики  достаточно  точного  расчёта  пространственных  гибких  мембранно-пневматических  систем,  необходимость  в  учёте  геометрической,  физической  и  конструктивной  нелинейности  систем  и,  что  особенно  важно,  необходимость  в  учете  упругих  свойств  воздуха,  заключенного  в  пневматических  полостях  системы  и  обеспечивающего  высокую  несущую  способность  мембранно-пневматического  сооружения  [1,  2].

Студенты  2  курса  САДИ  структурного  подразделения  СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.  под  руководством  профессора  кафедры  ТСК  Кима  Алексея  Юрьевича  разработали  экономичное  мембранно-каркасное  сооружение.

Сооружение,  обладая  мобильностью,  позволяет  быстро  менять  свое  месторасположение  с  учетом  потребностей  производства  и  изменения  ситуации.  См.  рис.  1.

В  конструктивном  отношении  разработанное  студентами  сооружение  представляет  собой  однопролетное  мембранно-каркасное  перекрытие,  включающее  расположенный  по  периметру  сооружения  опорный  контур,  концевые  и  промежуточные  арки,  опирающиеся  на  опорный  контур.  А  также  шарнирные  опорные  части,  установленные  под  концевыми  арками,  и  опирающуюся  на  арки  мембранную  оболочку,  скрепленную  с  опорным  контуром  при  помощи  талрепов  [2,  3].

Сооружение  включает  в  себя  расположенный  по  периметру  жесткий  опорный  контур  1  (рис.  2),  очерченный  в  плане  по  двум  параллельным  линиям,  соединенным  по  концам  симметричными  дугами.

Рисунок  1.  Общий  вид  мембранно-каркасного  сооружения

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  5,  6,  скрепленную  с  опорным  контуром  1  при  помощи  талрепов  7.  В  сооружении  есть  воздухонагнетательный  вентилятор  8  с  воздуховодом  9  для  подачи  воздуха  под  оболочку  и  датчики  давления  10  воздуха  под  оболочкой,  включающие  при  необходимости  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^о  к  вертикали,  а  мембранная  оболочка,  состоящая  из  средней  5  и  двух  торцевых  полотнищ  6,  герметично  скрепленных  с  концевыми  арками  по  всей  длине  арок,  предварительно  растянута  вдоль  и  поперек  сооружения  при  помощи  талрепов.  Сооружение  снабжено  датчиками  11  напряжений  в  арках,  автоматически  включающими  воздухоопорный  режим  эксплуатации  сооружения  при  значениях  внешних  нагрузок,  превышающих  нормативные.

Проектируется  сооружение  на  действие  лишь  нормативных  нагрузок,  а  в  периоды,  когда  возникают  перегрузки,  автоматически  используется  воздухоопорный  режим  эксплуатации,  что  позволяет  значительно  снизить  как  металлоемкость  сооружения,  так  и  его  стоимость  [5,  6]. 

Рисунок  2.  Мембранно-каркасное  сооружение

Изготовление  опорного  контура  в  виде  трубы,  снабженной  колесами,  позволяет  перевозить  сооружение  на  другое  место  при  помощи  механизированной  тяги  и  устанавливать  на  любых  грунтах,  вплоть  до  болот  и  водной  поверхности  рек.  В  последнем  случае  сооружение  эксплуатируется  в  воздухоопорном  режиме,  обеспечивающем  его  плавучесть  на  основе  воздушной  подушки. 

Область  применения  мембранно-каркасного  сооружения:

·     складские  сооружения  для  сельского  хозяйства,  быстровозводимые  и  способные  быстро  менять  месторасположение;

·     гаражи  для  автомобильной,  сельскохозяйственной  и  другой  техники,  при  необходимости  отапливаемые;

·     плавучее  авторегулируемое  мембранно-каркасное  сооружение,  предназначенное  для  различных  видов  деятельности  людей  на  воде:  обслуживание  гидротехнических  сооружений,  рыболовство,  использование  сооружения  при  строительстве  и  эксплуатации  рыбопитомника  и  др.  Сооружение  снабжено  двигателем,  позволяющем  ему  передвигаться  по  водной  поверхности.

Стоимость  мембранно-каркасного  сооружения  с  размерами  в  плане  24х12  м  составляет  ориентировочно  50  тысяч  долларов  США. 

Бригада  монтажников  может  произвести  монтаж  такого  сооружения  в  стационарном  варианте  на  готовый  фундамент  за  10  рабочих  дней.

Список  литературы:

1.Ермолов  В.В.  Воздухоопорные  здания  и  сооружения.  М.:  Стройиздат,  1980.  —  304  с.

2.Ким  А.Ю.  Мембранно-каркасное  воздухоопорное  сооружение.  Информациооный  листок  №  28—97.  Саратовский  межотраслевой  территориальный  центр  научно-технической  информации  и  пропаганды,  1997.

3.Ким  А.Ю.  Мембранно-каркасное  воздухоопорное  сооружение  средних  пролетов.  СГАУ,  Саратов,  1995.  -  12  с.  Библиограф.  3  названия.  Рукопись  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  09.08.  95,  №  2410  -  В95.

4.Ким  А.Ю.,  Нургазиев  Р.Б.  Расчёт  пространственных  мембранно-стержневых  систем.  СГАУ,  Саратов,  2001.  -  201  с.  Книга  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  31.08.01  №  1916-  В2001.

5.Ким  А.Ю.  Патент  РФ  №  2095534  на  изобретение  «  Мембранно-каркасное  воздухоопорное  сооружение  »  Зарегистрирован  в  Государственном  реестре  изобретений  10  ноября  1997  г.

6.Ким  А.Ю.  Статический  и  динамический  расчёт  воздухоопорных  и  линзообразных  мембранно-пневматических  систем.  Саратовский  государственный  аграрный  университет  им.  Н.И.  Вавилова.  Монография  деп.  в  ВИНИТИ  РАН  №  909  В2003  от  12.05.03.  —  308  с.

7.Ким  А.Ю.  Численное  исследование  нелинейных  мембранно-пневматических  систем.  СГАУ,  Саратов,  2001.  —  263  с.  Монография  депонирована  в  ВИНИТИ  РАН  28.04.01  №  1122-  В2001.