Защитное сооружение с большепролетным светопрозрачным покрытием

Алексеев Сергей Павлович, Алексеев Павел Сергеевич, Алексеев Максим Сергеевич (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: АЛЕКСЕЕВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ (RU) Изобретение относится к области строительства, а именно к пространственным большепролетным светопрозрачным сооружениям, и может быть использовано при создании замкнутых пространств для защиты зданий и территорий вокруг них от неблагоприятных внешних воздействий. Защитное сооружение имеет по меньшей мере один пролт и содержит опоры с установленной на них пространственной большепролетной многопоясной тросовой конструкцией со светопрозрачным покрытием. Пространственная большепролетная многопоясная конструкция содержит по меньшей мере одну тросовую систему, которая предварительно напряжена и перекрывает по меньшей мере один пролет сооружения; опорами указанной тросовой системы являются по меньшей мере два разновысоких здания; тросовая система содержит по меньшей мере два пояса тросов, распорные стойки, установленные между поясами тросовой системы, и первые элементы,выполненные с возможностью восприятия растягивающих и/или сжимающих усилий и установленные между тросами поясов соответствующей тросовой системы, а светопрозрачное покрытие расположено на верхнем поясе тросовой системы. 016435 Область техники Изобретение относится к области строительства, а именно к пространственным большепролетным светопрозрачным сооружениям, и может быть использовано при создании замкнутых пространств для защиты зданий и территорий вокруг них от неблагоприятных внешних воздействий. Уровень техники Широко известен проект сооружения Купол над Хьюстоном, имеющего подобное назначениеhttp://neferjournal.livejournal.com/2515143.html). Конструкция купола представляет собой металлический каркас из шестиугольных секций, "застекленных" многослойной пленкой Foiltec. Согласно проекту высота купола над Хьюстоном составляет приблизительно 450 м, диаметр основания - 1500 м, общая площадь защищаемой территории - 1,3 км 2. Основными недостатками сооружения согласно проекту Купол над Хьюстоном являются высокая сложность и крайне высокая стоимость возведения Купола. Для строительства купола потребуется создание новых производственных мощностей для поставки на стройку не производящихся сегодня в нужном количестве некоторых строительных материалов, изделий и оборудования, поиск и дополнительное обучение большого количества специалистов-высотников для монтажа купола, обеспечение высочайшей точности установки всех силовых элементов купола. Согласно проекту опорный контур купола должен проходить через городские кварталы, а создание таких опор внутри городской застройки влечет за собой нарушение существующих коммуникаций и разрушение близлежащих к создающимся опорам зданий. Кроме того, основную часть сложнейших строительных работ необходимо выполнять над центральными кварталами города, что потребует решения сложнейших вопросов обеспечения безопасности проводимых работ, сохранения строящегося объекта от ураганов и других разрушительных погодных явлений в период строительства, когда купол особенно уязвим, и др. Все перечисленные сложности и недостатки в сочетании с отсутствием гарантий надежности купола в период его эксплуатации не позволили реализовать проект до настоящего времени. Еще одним недостатком данного проекта защитных сооружений является невозможность разнообразить форму объекта. Мировой опыт применения тросовых систем для перекрытия больших пролетов обширен и описан,например, в следующих источниках: Дмина А.В. Здания с большепролетными покрытиями, Учеб. пособие, Тамбов, 2003 г. (http://www.tstu.ru/education/elib/pdf/2003/demina.pdf) и Зверев А.Н. Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий, СПб ГАСУ, 1998 г.(http://dwg.ru/dnl/3908), где раскрыты области и варианты применения тросовых систем для создания покрытий больших пролетов приблизительно в 100 м. Но известные сегодня в строительстве и рассмотренные в этих источниках технические решения не позволяют создать защитное сооружение, обеспечивающее перекрытие пролетов более 200 м и обладающее другими преимуществами предложенного сооружения. Ближайшим аналогом предложенного изобретения в техническом отношении является вантовое покрытие арены многопрофильного культурно-спортивного комплекса "Минск-Арена", строительство которого было завершено в декабре 2009 г. (источник: http://ais.by/journal/2242 - журнал Архитектура и строительство 11 (210) за 2009 г.; http://ais.by/story/3512 - Вантовое покрытие многофункциональной спортивно-зрелищной арены). Пространственная конструкция покрытия сооружения "Минск-Арена" выполнена с использованием передовых строительных технологий, самых современных материалов, оборудования и считается большепролетной. Это покрытие запроектировано двухпоясным, выполнено из высокопрочных тросов в виде"велосипедного колеса" и включает в себя замкнутый наружный железобетонный опорный контур, высокопрочные стальные тросы, домкраты, центральное металлическое кольцо диаметром 12 м, металлические трубные стойки-распоры, металлические ребристые плиты покрытия с утеплителем и рулонным водоизоляционным ковром. При этом чистый пролет двухпоясного вантового покрытия в Минске равен всего 116 м и не дает возможности применения светопрозрачного покрытия по причине конструктивных особенностей устройства тросовой системы, изначально рассчитанной только на мягкую кровлю по металлическим плитам и поэтому не обладающей необходимой жесткостью и устойчивостью для размещения светопрозрачного покрытия. Еще одним недостатком такой тросовой системы для перекрытия больших пролетов являются ограниченные возможности по разнообразию форм и размеров перекрываемого пространства. Поэтому попытки дальнейшего существенного увеличения перекрываемого пролета без изменения технических решений приведут к возникновению у проектировщиков ограничений, связанных с недопустимым увеличением прогиба вантового покрытия, причем незначительное увеличение длины пролета значительно увеличивает стоимость строительства. Для лучшего объяснения технических особенностей данного изобретения в этой заявке использован термин тросовая система со светопрозрачным покрытием. Деление конструкции тросового покрытия на отдельные тросовые системы условно. Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании пространственного большепролетного сооружения с существенно увеличенным пролтом и светопрозрач-1 016435 ным покрытием для защиты жилых, офисных, спортивных, торгово-развлекательных, образовательных и больничных комплексов, других промышленных и гражданских объектов, а также площадей, к ним примыкающих, от нежелательных воздействий окружающей среды и обеспечивающего возможность долговременного и комфортного пребывания людей в пределах данного сооружения. Изобретение предполагается использовать, в первую очередь, на территориях с нестабильным или суровым климатом. Сущность изобретения Поставленная задача решена благодаря тому, что в защитном сооружении, имеющем по меньшей мере один пролт и содержащем опоры с установленной на них пространственной большепролетной конструкцией со светопрозрачным покрытием, пространственная большепролетная конструкция содержит по меньшей мере одну многопоясную тросовую систему, которая предварительно напряжена и перекрывает по меньшей мере один пролет сооружения; опорами указанной тросовой системы являются по меньшей мере два разновысоких здания; указанная по меньшей мере одна тросовая система содержит,как минимум, два пояса тросов, распорные стойки, установленные между поясами тросовой системы, и первые элементы, выполненные с возможностью восприятия растягивающих и/или сжимающих усилий и установленные между тросами в поясах соответствующей тросовой системы, а светопрозрачное покрытие расположено на верхнем поясе тросовой системы. По сравнению с известными сооружениями предложенное обладает следующими преимуществами: во-первых, такое выполнение защитного сооружения, в частности благодаря разновысоким опорам, обеспечивает возможность перекрывать пролты значительных величин, в том числе пролеты существенно больше 200 м. Во-вторых, благодаря тому, что тросовые системы содержат не менее двух поясов высокопрочных тросов, которые имеют распорные и стягивающие элементы, а также расчетное натяжение,предлагаемая конструкция обладает необходимой прочностью, жесткостью и устойчивостью, достаточными для размещения на ней светопрозрачного покрытия, состоящего из рамных конструкций и размещенных в них светопрозрачных элементов; различного дополнительного оборудования и систем, например солнечных батарей, видеокамер наблюдения, систем водоотведения и дымоудаления, различных осветительных приборов и прочих необходимых для жизнедеятельности людей средств; а также оборудования и устройств, обеспечивающих эксплуатацию и ремонт светопрозрачного покрытия. По мнению авторов, правильно рассчитанная и выполненная тросовая конструкция защитного сооружения чрезвычайно надежна в эксплуатации, так как предполагает возможность лишь частичного разрушения тросовой системы, связанного со случайным обрывом какого-либо троса, но без обрушения светопрозрачного покрытия. Светопрозрачное покрытие за счет собственных специальных рамных конструкций имеет достаточную жесткость для сопротивления возможному в этом случае прогибу и разрушению. А обрыв любого троса легко и быстро восстанавливается заменой, поскольку доступ к любому участку тросовой системы и светопрозрачного покрытия обеспечивается посредством самой системы тросов. Изучение потребительского и строительного рынков показало, что сегодня в мире существует определенный спрос на подобные сооружения, и кроме этого имеется вс необходимое для полноценной реализации данного изобретения. В частности, уже в настоящее время известно несколько крупных международных производственно-строительных компаний, обладающих всем основным оборудованием,материалами и необходимыми инженерно-техническими специалистами для строительства предложенного типа сооружений. Еще одно преимущество заключается в том, что в предложенном сооружении тросовая система не подвержена коррозии и другим разрушениям в результате воздействия окружающей среды, поскольку вся тросовая система находится, по существу, внутри закрытого пространства защитного сооружения. Кроме этого, конструкция и габаритные размеры предлагаемого защитного сооружения создают наилучшие условия для эффективного применения большинства известных в настоящее время идей и способов энергосбережения и обеспечения энергонезависимости всего сооружения. А в районах с сейсмической активностью благодаря конструкции сооружения, представляющей собой совокупность связей и взаимное расположение тросовой системы с опорными зданиями, обеспечивается повышенная устойчивость опорных высотных зданий к возможным разрушениям. Строительство предлагаемого защитного сооружения обеспечивает создание объемных замкнутых пространств, изолированных от окружающей среды светопрозрачными конструкциями с возможностью поддержания в их внутреннем объеме постоянных комфортных для человека заданных параметров температуры, влажности и чистоты воздуха, освещенности, безопасности и др. В настоящее время большепролетные конструкции используются, главным образом, на спортивных и промышленных объектах, а в жилищном строительстве не применяются. Предложенное изобретение целесообразно использовать, в первую очередь, именно в жилищном строительстве для улучшения защиты людей от негативных климатических явлений, ухудшающейся экологии, проявлений экстремизма и др. Таким образом, согласно настоящему изобретению предложено по сравнению с известными аналогами относительно простое недорогое и надежное техническое решение, обеспечивающее достижение поставленной задачи. Предпочтительно в предложенном сооружении по меньшей мере часть распорных стоек тросовых систем являются сквозными и/или имеют переменное сечение.-2 016435 Предпочтительно в предложенном сооружении светопрозрачное покрытие выбрано из группы,включающей стеклопакеты, многослойную полимерную тетрафторэтиленовую пленку, например этилентетрафторхлорэтилен (ETFE), листовой сотовый поликарбонатный пластик, многослойный полиэфирный стеклопластик или их производные аналоги. Предпочтительно в предложенном сооружении по меньшей мере одна тросовая система пригружена посредством по меньшей мере одной тросовой оттяжки-пригруза. Предпочтительно в предложенном сооружении дополнительными опорами по меньшей мере одной тросовой системы являются по меньшей мере две разновысотные части одного здания. Предпочтительно в предложенном сооружении по меньшей мере одна часть светопрозрачного покрытия не является светопрозрачной. Предпочтительно в предложенном сооружении по меньшей мере одна часть светопрозрачного покрытия выполнена с возможностью е автоматического открывания и закрывания. Предпочтительно в предложенном сооружении по меньшей мере между двумя опорными зданиями или частями одного из них выполнена дополнительная несущая конструкция для опоры соответствующей тросовой системы. Предпочтительно предложенное сооружение дополнительно содержит вторые элементы (натянутые тросы), выполненные с возможностью восприятия растягивающих усилий и установленные по меньшей мере между двумя тросами различных поясов соответствующей тросовой системы. Перечень чертежей Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид сооружения - фасад, соответствующий первому и второму вариантам выполнения изобретения; на фиг. 2 - план сооружения на отметке 0 (уровень земли), соответствующий первому варианту выполнения изобретения; на фиг. 3 - план сооружения на отметке 0 (уровень земли), соответствующий второму варианту выполнения изобретения; на фиг. 4 - разрез по линии А-А на фиг. 2, соответствующий первому варианту выполнения изобретения; на фиг. 5 - разрез по линии В-В на фиг. 3, соответствующий второму варианту выполнения изобретения; на фиг. 6 - четырехпоясная тросовая система в разрезе по линии С-С на фиг. 4 согласно первому варианту выполнения изобретения; на фиг. 7 - трехпоясная тросовая система в разрезе по линии D-D на фиг. 5 согласно второму варианту выполнения изобретения; на фиг. 8 - двухпоясная тросовая система в разрезе. Подробное описание изобретения со ссылками на чертежи Предложенное согласно настоящему изобретению светопрозрачное многопоясное тросовое покрытие является большепролетным, что подтверждено предварительными расчетами и испытаниями построенных моделей, согласно которым величина перекрываемого чистого пролета может достигать 700 м и более. В качестве основных опор тросовых систем предлагается использовать отдельно стоящие здания различной высоты. Для перекрытия пролетов упомянутой величины предпочтительно, чтобы одно из опорных зданий имело высоту 0-10 м (например, только подземные этажи и до 3 этажей), а другое было значительно выше, например 30-500 м (10-150 этажей). Причем максимальная разница в высотах опорных зданий в сочетании с оптимальным углом наклона многопоясного тросового покрытия может позволить перекрыть в случае особой необходимости пролет и в 1000 м. На фиг. 1 изображен фасад предложенного сооружения, соответствующий и первому и второму вариантам выполнения и иллюстрирующий совместно с фиг. 2, 3, 4, 5, что первая опора 1 или опорное здание выполнена в виде контура, который является по высоте самым низким из всех опор и может быть заглублен до уровня земли. Опорный контур сооружения помимо восприятия им вертикальных нагрузок от светопрозрачного покрытия выполняет и функцию контрфорсов для восприятия мощных горизонтальных усилий от системы натянутых тросов. На фиг. 4 и 5 видно, что высота центральной опоры 2 или центрального опорного здания превышает высоту всех промежуточных опор 3 или промежуточных опорных зданий, высота которых, в свою очередь, превышает высоту опорного контура. Существуют и другие очевидные специалисту модификации предложенного сооружения, в котором высота опорных зданий соответственно увеличивается в направлении к центру сооружения. На фиг. 2 и 3 изображены планы предложенных сооружений на отметке уровня земли (виды сверху) согласно первому и второму вариантам выполнения предложенного сооружения соответственно. Защитное сооружение согласно первому варианту выполнения (фиг. 2, 4, 6) содержит наружный опорный контур 1, центральную опору 2 в виде многоэтажного здания и четырехпоясные тросовые системы 4 со светопрозрачным покрытием 11. Каждая четырехпоясная тросовая система 4 перекрывает один пролет между первой опорой 1 и центральной опорой 2 и содержит высокопрочные стальные тросы 5,образующие пояса 6, распорные стойки 7, растяжки-распоры 8, домкраты 9 (схематично изображены на-3 016435 фиг. 2), оттяжки-пригрузы 10, на верхнем поясе тросовой системы 4 размещено светопрозрачное покрытие 11, содержащее светопрозрачные элементы 12 и рамную конструкцию 13. Защитное сооружение согласно второму варианту выполнения (фиг. 3, 5, 7) содержит наружный опорный контур 1, центральную опору 2 и промежуточные опоры 3 в виде промежуточного опорного контура, содержащего многоэтажные здания и трехпоясные тросовые системы 4 со светопрозрачным покрытием 11. Каждая трхпоясная тросовая система 4 перекрывает два пролета между первой опорой 1 и центральной 2 и содержит высокопрочные стальные тросы 5, стойки-распоры 7, растяжки-распоры 8,домкраты 9 (схематично изображены на фиг. 3), оттяжки-пригрузы 10, на верхнем поясе тросовой системы 4 размещено светопрозрачное покрытие 11, содержащее светопрозрачные элементы 12 и рамную конструкцию 13. В разрывах промежуточного опорного контура с целью обеспечения опоры для тросовой системы 4 применяются металлические несущие конструкции 14, например, в виде ферм (фиг. 3). Согласно первому и второму предпочтительным вариантам выполнения (изложенные варианты выполнения изобретения не являются ограничивающими и возможны другие варианты) с целью обеспечения необходимой устойчивости и жесткости тросовых систем 4 и светопрозрачного покрытия 11 в целом,на каждом тросе 5 всех поясов 6 тросовой конструкции установлено по два анкерных устройства (на одном конце троса нерегулируемое, а на другом - регулируемое), где посредством домкратов 9 во всех тросах 5 всех поясов 6 тросовых систем 4 создаются предварительные напряжения. При этом обеспечена равномерность напряжений в каждом тросе 5 путем натяжения тросов на специальные упоры (на чертеже не показаны), расположенные на опорном контуре сооружения. После достижения полного расчетного напряжения тросов 5 тросовые системы 4 могут воспринимать на себя все расчетные нагрузки. Между предварительно напряженными тросами 5 смежных поясов 6 тросовых систем 4 при помощи хомутов установлены жесткие распорные стойки 7 предпочтительно круглого поперечного сечения определенной проектом длины и конструкции (сплошностенные и/или сквозные, при этом часть стоек может иметь переменное сечение) и первые элементы (растяжки и/или распоры) 8, которые, работая сообща, обеспечивают стабилизацию и требуемую форму светопрозрачному покрытию 11. А светопрозрачное покрытие 11 за счет собственных жестких рамных конструкций 13 ещ более укрепляет тросовую конструкцию и делает е более устойчивой к восприятию внешних нагрузок. Кроме этого, при необходимости дальнейшего увеличения жесткости и устойчивости всей конструкции, тросовые системы 4 могут быть дополнительно пригружены с помощью тросовых растяжекпригрузов 10 специальной конструкции, а также содержать вторые элементы (стягивающие тросы), выполненные с возможностью восприятия растягивающих усилий и установленные, по меньшей мере, между двумя тросами различных поясов соответствующих тросовых систем. Светопрозрачное покрытие 11 установлено по верху распорных стоек 7, выше уровня верхних тросов 5 и содержит стеклопакеты 12,закреплнные на специальных рамных конструкциях 13. Для специалиста очевидно, что светопрозрачное покрытие 11 также может содержать и другие светопрозрачные элементы 12, например трехслойные полимерные пленочные элементы Foiltec (ETFE), листовой сотовый поликарбонатный пластик и др. Для защиты сооружения от внешних воздействий среды, светопрозрачное покрытие 11 при необходимости дополнительно оборудуется различными средствами водоотвода, электрообогрева, светоотражения, светопреломления, фотоэлектрическими панелями и другими различными необходимыми устройствами и системами. Предложенная технология строительства защитных сооружений позволяет проектировать и возводить сооружения бесконечно большого разнообразия форм и размеров. Для специалиста очевидно, что проектирование и строительство защитных сооружений, находящихся в различных климатических зонах,должно учитывать соответствующие расчетные ветровые и снеговые нагрузки при определении размера и формы защитного сооружения. Заданные проектом размеры и форму всего защитного сооружения обеспечивают размеры и форма(в плане) внешнего опорного контура сооружения (опоры 1), разница высот опорных конструкций (опоры 1, 2 и 3), величины перекрываемых пролетов, количество поясов 6 тросовых систем 4, разница в толщинах и силе натяжения тросов 5, размеры длин распорных стоек 7, дополнительные растяжки-пригрузы 10, выступающие над светопрозрачным покрытием надстройки опорных зданий и др. В заключении необходимо отметить, что по мнению авторов изобретения данная технология строительства защитных сооружений наилучшим образом вписывается в идею так называемого Зелного строительства (Green Buildings). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Защитное сооружение, имеющее по меньшей мере один пролт и содержащее опоры с установленной на них пространственной большепролетной конструкцией со светопрозрачным покрытием, отличающееся тем, что пространственная большепролетная конструкция содержит по меньшей мере одну тросовую систему, которая предварительно напряжена и перекрывает по меньшей мере один пролет сооружения; опорами указанной по меньшей мере одной тросовой системы являются по меньшей мере два раз-4 016435 новысоких здания; указанная по меньшей мере одна тросовая система содержит по меньшей мере два пояса тросов,распорные стойки, установленные наклонно и/или вертикально между поясами тросовой системы, и первые элементы, выполненные с возможностью восприятия растягивающих и/или сжимающих усилий и установленные по меньшей мере между двумя тросами по меньшей мере одного пояса соответствующей тросовой системы,а светопрозрачное покрытие расположено на верхнем поясе тросовой системы. 2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере часть распорных стоек тросовой системы являются сквозными и/или имеют переменное сечение. 3. Сооружение по любому из пп.1-2, отличающееся тем, что светопрозрачное покрытие выбрано из группы, включающей стеклопакеты, и/или листовой поликарбонатный пластик, и/или многослойную полимерную пленку, и/или многослойный полиэфирный стеклопластик, и/или их аналоги. 4. Сооружение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что указанная по меньшей мере одна тросовая система пригружена посредством по меньшей мере одной тросовой оттяжки-пригруза. 5. Сооружение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что дополнительными опорами по меньшей мере одной тросовой системы являются по меньшей мере две разновысокие части одного здания. 6. Сооружение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что светопрозрачное покрытие выполнено по меньшей мере с одним участком, не пропускающим свет. 7. Сооружение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что по меньшей мере один участок светопрозрачного покрытия выполнен с возможностью его открывания и закрывания. 8. Сооружение по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что по меньшей мере между двумя опорными зданиями или частями одного из них установлена по меньшей мере одна несущая конструкция для опоры по меньшей мере одной соответствующей тросовой системы. 9. Сооружение по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторые элементы, выполненные с возможностью восприятия ими растягивающих усилий и установленные по меньшей мере между двумя тросами различных поясов соответствующей тросовой системы.