Перспективы применения мембранно-стержневых и пневматических покрытий сооружений в Российской Федерации

Статья авторов посвящена разработке новых пространственных предварительно напряжённых мембранно-стержневых и пневматических сооружений многоцелевого назначения. Предлагаемые системы являются капитальными сооружениями, отличающимися высокими технико-экономическими показателями при пролетах до 100 метров.

Данное пространственное предварительно напряжённое сооружение содержит внешнее опорное кольцо и облегчённое мембранно-стержневое покрытие. У данного сооружения есть нижняя вогнутая и верхняя выпуклая мембраны, закрепленные во внешнем опорном кольце и усиленными канатами, соединёнными между собой распорками (см. рис. 1). Мембраны покрытия сооружения (см. рис. 2) могут быть выполнены из полупрозрачных долговечных плёнок. [3]

Опорное кольцо покрытия сооружения выполнено сквозным в виде шарнирно-стержневой фермы, опёртой на внутренние колонны и имеющей прямоугольное или шестиугольное очертание в плане.

Предварительно напряжённое мембранно-стержневое покрытие сооружения, с целью повышения жесткости мембран и их долговечности, может быть усилено за счёт пневматического эффекта. В этом случае сооружение снабжено воздухонагнетательным вентилятором с воздуховодами и датчиками давления воздуха. Мембранно-стержневое покрытие сооружения содержит нижнюю вогнутую и верхнюю выпуклую мембраны, закрепленными во внешнем опорном кольце и соединёнными между собой распорками. В случае, когда мембранно-стержневое покрытие сооружения выполнено пневматическим, необходимое предварительное напряжение его может быть достигнуто за счёт избыточного давления воздуха пневмолинзы и число распорок в двухпоясном покрытии может быть значительно уменьшено. Наибольший экономический эффект достигается тогда, когда распорки в пневматическом покрытии вообще отсутствуют (см. рис.3). Покрытие в этом случае становится особенно лёгким, материалоёмкость сооружения снижается (см. рис. 4), но появляется некоторая зависимость несущей способности покрытия от технического состояния специального оборудования: вентилятора, щелочного аккумулятора и т. д.

Уклон кровли за счёт выпуклого очертания верхней мембраны обеспечивает необходимый водоотвод с покрытия естественных осадков. Наличие пневматической линзы в покрытии обеспечивает хорошие теплозащитные свойства здания, как летом, так и зимой. Удаление снега с покрытия можно осуществлять подачей нагретого воздуха в пневмолинзу.

Но стоимость сооружения при этом уменьшается на 20…30 процентов, что очень немаловажно в условиях мирового экономического кризиса.

Рис. 1. Расчётная схема мембранно-стержневого сооружения

В отличие от воздухоопорных сооружений, линзообразные пневматические сооружения не требуют герметизации внутреннего помещения и устройства шлюзов. [1]

Рис. 2. Мембранно-стержневое сооружение шестиугольное в плане

На рис. 5 показано сооружение с оконным витражом, расположенным по внешнему контуру покрытия, на рис. 6 — интерьер внутреннего помещения. Относительно низкая материалоемкость и стоимость сооружения в сочетании с надежностью и долговечностью конструкций обеспечивают высокую экономическую эффективность сооружения.

За рубежом построено более 100 тысяч мембранно-пневматических сооружений различного типа благодаря их низкой себестоимости и большом сроке службы.

Рис. 3. Расчётная схема мембранно-стержневого сооружения без внутренних распорок, обычно применяется в район с малым снежным покровом.

Рис. 4. Мембранно-пневматическое сооружение со светопрозрачным покрытием.

Если в качестве мягкой оболочки воздухоопорного сооружения применяется кевлар, то срок службы сооружения превышает 25 лет, и оно окупается за это время несколько раз.

Расход стали в капитальных сооружениях со стальным мембранно-пневматическим покрытием при пролетах порядка 70 метров обычно в несколько раз меньше, чем в сооружениях с традиционным покрытием. При этом, чем больше пролёт покрытия, тем меньше материалоемкость мембранно-пневматических сооружений по сравнению с традиционными.

Авторами разработан алгоритм расчёта пространственных предварительно напряжённых линзообразных покрытий сооружений больших пролётов шаговым методом последовательных нагружений с поэтапным применением метода конечных элементов. [2]

Рис. 5. Внутренний интерьер мембранно-пневматического сооружения

Алгоритм расчёта позволяет учитывать геометрическую и конструктивную нелинейность системы. На каждом шаге приращения параметров системы применяется итерационная процедура Эйлера-Коши третьего порядка точности. Достаточную для инженерных расчётов точность результатов можно получить итерационным расчётом уже при одном шаге нагружения. В тех случаях, когда канаты могут временно выключаться из работы, осуществляется многошаговый процесс расчёта системы.

Макет такого сооружения был выполнен студентами четвертого курса СГТУ имени Ю. А. Гагарина под руководством профессора кафедры ТСК Кима Алексея Юрьевича и принимал участие в областной научно-технической выставке.

Авторы статьи надеются, что данные сооружения найдут достойное место в современной инфраструктуре Российской Федерации в условиях современного мирового кризиса и западных санкций.

Литература:

1.                              Ким А. Ю. и др. Проектирование мембранно-пневматических сооружений с использованием новых компьютерных технологий. Рекламный проспект. Изд-во Саратовского ЦНТИ, Саратов, 1998–15 с.

2.                              Петров В. В. Метод последовательных нагружений в нелинейной теории пластинок и оболочек. — Саратов: Изд-во СГУ, 1975–118 с.