МЕМБРАННО-ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ  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

К  началу  2014  года  в  России  зарегистрированы  сотни  тысяч  индивидуальных  предпринимателей.  В  основном,  это  мелкий  и  средний  бизнес  со  сравнительно  небольшими  доходами.  Мировой  экономический  кризис,  а  также  налоговая  политика  Российской  Федерации  в  2012—13  гг.  сильно  подорвали  их  экономическое  положение.  Позволить  себе  строительство  крупных  объектов  они  в  настоящее  время  не  могут.  В  то  же  время  потребность  в  создании  современной  инфраструктуры  среднего  бизнеса  России  очень  большая.  Требуются  сооружения  для  организаций  выставок,  крытых  катков,  теннисных  кортов,  оранжерей  и  т.  п. 

Студентами  2  курса  СГТУ  имени  Гагарина  Ю.А.  под  руководством  профессора  кафедры  ТСК  Кима  А.Ю.,  разработана  многопролетная  линзообразная  мембранно-пневматическая  система  перекрытия  больших  пролетов.  См.  рис.  1. 

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

Воздухоопорное  сооружение  представляет  собой  закреплённую  по  контуру  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  в  них  воздуха.  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.  (Cм.  рис.  1).

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

Разработанное  для  нужд  среднего  бизнеса  России  многопролетное  мембранно-пневматическое  сооружение  относится  к  воздухонесомым  мембранно-пневматическим  системам.  Данное  сооружение  содержит  воздухонагнетательный  вентилятор  с  воздуховодами  и  датчиками  давления  воздуха.  Сооружение  также  имеет  внешние  и  внутренние  опорные  устройства,  мембранно-пневматическое  покрытие  с  многопролетной  нижней  и  выпуклой  на  длине  всех  пролетов  верхней  мембранами.  Мембраны  закреплены  во  внешних  опорных  устройствах,  соединенных  между  собой  по  периметру  сооружения  и  образующих  герметически  замкнутую  полость  с  избыточным  давлением  воздуха.  Сооружение  является  капитальным,  мембраны  покрытия  металлические.

В  сооружениях  данного  типа  наличие  воздуходувной  машины  обязательно.  Обычно  это  центробежный  вентилятор,  совмещенный  с  теплогенератором.  Воздуходувный  вентилятор  служит  для  подкачки  воздуха  в  герметически  замкнутую  полость  мембранно-пневматического  покрытия  и  обогрева  внутренних  помещений  [1,  2].

Рисунок  1.  Многопролетное  мембранно-пневматическое  сооружение

В  отличие  от  воздухоопорных  сооружений,  в  которых  избыточное  давление  воздуха  создается  в  помещении  между  оболочкой  и  полом,  воздухонесомые  сооружения  не  требуют  герметизации  внутреннего  помещения  и  устройства  шлюзов. 

Положительный  эффект  предлагаемого  сооружения  состоит  в  улучшении  технологических  качеств,  уменьшении  материалоемкости  внешних  опорных  устройств  и  снижении  стоимости  сооружения.

Указанный  эффект  достигается  тем,  что  многопролетное  мембранно-пневматическое  сооружение  выполнено  в  плане  прямоугольным,  каждое  внешнее  и  внутреннее  опорное  устройство  включает  ригель,  объединенный  с  колоннами  и  расположенный  в  плане  перпендикулярно  пролетам.  Нижняя  и  верхняя  мембраны  сооружения  соединены  между  собой  над  ригелями  опорных  устройств  и  по  длине  пролетов  образуют  несколько  линзообразных  пролетных  строений.  Пролетные  строения  опираются  на  ригели  и  снабжены  расположенными  по  торцам  покрытия  вертикальными  мембранно-стержневыми  панелями,  соединяющими  мембраны. 

На  рис.  2  показано  предлагаемое  сооружение,  вид  в  плане  и  разрез  А-А.

Рисунок  2.  Мембранно-пневматическое  сооружение  вид  в  плане

Многопролетное  мембранно-пневматическое  сооружение,  содержит  воздухонагнетательный  вентилятор  1  с  воздуховодами  2  и  датчиками  3  давления  воздуха,  внешние  4  и  внутренние  5  опорные  устройства,  мембранно-пневматическое  покрытие  6  с  многопролетной  нижней  7  и  выпуклой  на  длине  всех  пролетов  верхней  8  мембранами,  закрепленными  во  внешних  опорных  устройствах  4,  соединенными  между  собой  по  периметру  сооружения  и  образующими  герметически  замкнутую  полость  9  с  избыточным  давлением  воздуха. 

Сооружение  выполнено  в  плане  прямоугольным.  Каждое  внешнее  опорное  устройство  4  имеет  ригель  10,  объединенный  с  колоннами  11  и  расположенный  в  плане  перпендикулярно  пролетам.  Внутреннее  опорное  устройство  5  имеет  ригель  12,  объединенный  с  колоннами  13  и  расположенный  в  плане  перпендикулярно  пролетам.  Мембраны  соединены  между  собой  над  ригелями  10,  12  опорных  устройств  4,  5  и  по  длине  пролетов  образуют  несколько  линзообразных  пролетных  строений  14,  опирающихся  на  ригели  10,  12.  Линзообразные  пролетные  строения  14  снабжены  расположенными  по  торцам  покрытия  6  вертикальными  мембранно-стержневыми  панелями  15,  соединяющими  нижнюю  7  и  верхнюю  8  мембраны.  В  случае,  когда  колонны  11  выполнены  наклонными,  внешнее  опорное  устройство  4  включает  вертикальную  стенку  16,  закрепленную  в  фундаменте  17.

Вертикальная  мембранно-стержневая  панель  15  представляет  собой  жесткую  ферму  (в  частности  безраскосную),  снаружи  которой  по  контуру  каждой  ячейки  герметично  прикреплена  мембрана. 

Линзообразные  герметически  замкнутые  полости  9  каждого  пролетного  строения  14  в  частном  случае  могут  быть  не  герметичны  между  собой,  и  тогда  изменение  давления  воздуха  в  одной  из  них  повлечет  за  собой  изменение  давления  воздуха  в  других.

В  плане  сооружение  выполнено  прямоугольным  с  верхней  выпуклой  на  длине  всех  пролетов  мембраной,  очерченной  по  цилиндрической  поверхности.  При  этом  внутреннее  опорное  устройство  (одно  или  несколько  в  зависимости  от  числа  пролетов)  имеет  ригель,  объединенный  с  вертикальными  колонами  и  расположенный  в  плане  перпендикулярно  пролетам  и  торцам  сооружения. 

Монтаж  сооружения  производится  на  фундамент.  Сначала  в  фундаменты  устанавливают  колонны  13  и  на  них  крепят  ригели  12.  Одновременно  монтируют  каждое  внешнее  опорное  устройство  4,  включающее  ригель  10,  объединенный  с  наклонными  колоннами  11,  и  стенку  16,  закрепленную  в  фундаменте  17.  Нижнюю  7  и  верхнюю  8  мембраны  укладывают  рядом  с  сооружением  в  виде  заранее  изготовленных  монтажных  полотнищ,  которые  затем  с  помощью  полиспастов,  лебедок  и  талрепов  натягивают  на  ригели  10  и  12  и  скрепляют  их  между  собой,  с  ригелями  10  внешних  опорных  устройств  4  и  торцевыми  панелями  15. 

Разработанное  мембранно-пневматическое  сооружение  относится  к  воздухонесомым  сооружениям  с  низким  избыточным  давлением  воздуха  в  пневмолинзах.  Избыточное  давление  воздуха  в  пневмолинзах  предварительно  напрягает  несущую  и  напрягающую  мембраны  и  придает  покрытию  несущую  способность,  достаточную  для  восприятия  разнообразных  нагрузок. 

Пневмолинзы  работают  в  режиме  периодической  подкачки  воздуха,  регулируемой  датчиками  давления  воздуха.  А  поскольку  обеспечение  герметичности  пневматического  покрытия  с  мембранами,  выполненными  из  металла  (в  частности  из  нержавеющей  сварной  стали  или  алюминиевых  сплавов)  сейчас  возможно,  то  подкачка  воздуха  в  пневмолинзы  вентилятором  будет  происходить  периодически  с  достаточно  большими  интервалами,  а  значит  в  экономичном  и  безопасном  для  сооружения  режиме.

При  аварийном  падении  давления  воздуха  в  замкнутом  пространстве  верхняя  выпуклая  мембрана  ложится  на  вогнутую  нижнюю  и  покрытие  превращается  в  висячую  систему,  не  разрушаясь.

Улучшение  технологических  качеств  сооружения  состоит  в  упрощении  раскроя  мембран,  достигаемом  благодаря  выполнению  сооружения  в  плане  прямоугольным  с  одновременным  выполнением  очертания  мембран  в  пределах  пролета  цилиндрическим.  Цилиндрическое  же  очертание  мембран  достигается  за  счет  постановки  на  торцах  покрытия  рыбкообразных  вертикальных  панелей.  В  этом  случае  нижняя  и  верхняя  мембраны  покрытия  могут  быть  скроены  из  поставляемых  с  завода  прямоугольных  полос,  что  существенно  упрощает  технологию  изготовления  как  самих  мембран,  так  и  покрытия  в  целом.  Благодаря  цилиндрическому  очертанию  мембраны  пневмолинз  не  коробятся  при  нагружении  их  давлением  воздуха,  температурным  воздействием  или  силовыми  нагрузками  ни  на  стадии  монтажа,  ни  на  стадии  эксплуатации  сооружения.  Как  показала  практика,  такой  факт,  как  отсутствие  коробления  мембран  пневмосооружений  при  выполнении  их  из  металла,  является  редкостью.  Для  этого  требуется  либо  простейшее  очертание  оболочек,  как  в  данном  случае,  либо  применение  довольно  сложных  конструктивных  решений.

Снижение  же  материалоемкости  внешних  опорных  устройств  существенно  снижает  общую  стоимость  сооружения. 

Увеличение  полезной  площади  сооружения  за  счет  многопролетности  покрытия  может  быть  многократным.  Так,  при  предельном  пролете  в  60  м  для  мембран,  выполненных  из  нержавеющей  стали  толщиной  (1—1,5)  мм,  ширина  здания  может  быть  увеличена  до  180  м  и  более.  Длина  здания  может  быть  произвольной.

Уклон  кровли  засчет  очертания  верхней  выпуклой  мембраны  обеспечивает  необходимый  водоотвод  с  покрытия  естественных  осадков  [3].  Наличие  пневматических  линз  в  покрытии  обеспечивает  хорошие  теплозащитные  свойства  зданий.  Проблему  удаления  снега  с  покрытия  можно  осуществлять  подачей  нагретого  воздуха  в  пневмолинзы.

Снижение  материалоемкости  и  стоимости  сооружения,  приходящихся  на  один  квадратный  метр  полезной  площади,  повышает  экономическую  эффективность  сооружения.

Разработанное  сооружение  размерами  24  на  48  метров  бригада  монтажников  может  собрать  на  готовый  фундамент  за  две  недели,  и  его  стоимость  будет  примерно  в  три  раза  дешевле  традиционного  сооружения.

Авторы  статьи  надеются,  что  новые  пневматические  системы  сооружений  займут  достойное  место  в  современной  инфраструктуры  РФ.

Список  литературы:

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

2.Ким  А.Ю.  Расчет  воздухоопорных,  линзообразных  и  комбинированных  пневматических  систем  сооружений  с  учетом  упругих  свойств  воздуха.  Депонированная  рукопись  в  ВИНИТИ  №  77-В2006  25.01.2006  г.

3.Ким  А.Ю.  Расчет  пневматических  систем  с  учетом  нелинейных  факторов  кн.  2.  Дискретные  расчетные  схемы.  Депонированная  рукопись  в  ВИНИТИ  №  1547-В2000  29.05.2000  г.

4.Ким  А.Ю.  Расчет  пространственных  мембранно-стержневых  систем  с  использованием  пакета  прикладных  программ  "Статика".  Депонированная  рукопись  в  ВИНИТИ  №  76-В2006  25.01.2006.

5.Ким  А.Ю.  Статический  и  динамический  расчет  воздухоопорных  и  линзообразных  мембранно-пневматических  систем.  Депонированная  рукопись  в  ВИНИТИ  №  909-В2003  12.05.2003.