Сферическая пространственная конструкция

Сферическая пространственная конструкция

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству архитектурных сооружений криволинейной формы, и может быть использовано для возведения зданий различного назначения в виде сферы и зданий с купольным покрытием.

Сфера (греч. σ φ α ι ˜ ρ α - мяч) - замкнутая поверхность, геометрическое место точек в пространстве, равноудаленных от данной точки, называемой центром сферы. Сфера также является телом вращения, образованным при вращении полуокружности вокруг своего диаметра (ВИКИПЕДИЯ, интернет).

Купол - выпуклое покрытие зданий и сооружений, имеющее форму сегмента шара, параболоида или иной поверхности вращения (Новый энциклопедический словарь, изд. Большая Российская энциклопедия, М., 2005, стр.597).

Наиболее близким к предлагаемому является купол здания, представляющий собой сегмент сферы, описанный в способе возведения сферических куполов, содержащий внутреннюю металлическую сферическую поверхность, на которой закреплен армокаркас, содержащий парные параллельные дуги, проходящие от основания через вершину купола по меридианам сферы на равном расстоянии друг от друга по параллелям. Дуги закреплены на расстоянии друг от друга стержнями, приваренными к их поверхности враспор и соединенными между собой с образованием пилообразной формы. Каркас сферы заполнен бетоном методом съемной опалубки.

Основной недостаток известного устройства заключается в сложности конструкции каркаса, что не позволяет добиться правильной шаровидной поверхности купола и минимизировать риск монтажа «кривых» (с ошибкой) сфер. Кроме того, в известном устройстве жесткость сферической пространственной конструкции, а следовательно, несущая способность сферы, обеспечивается только за счет жесткости каркаса, что увеличивает вес каркаса. Большой вес каркаса и его конструкция не позволяют вести сборку каркаса сферы сверху вниз, что позволило бы не только упростить монтаж сферической поверхности, но и максимально снизить погрешность при монтаже сферической поверхности. Статистика показывает, что при стандартном монтаже сферической поверхности снизу около 20% возведенных куполов имеют дефекты формы (нешарообразные купола). Кроме того, известная конструкция сферической поверхности по окончании ее монтажа требует дополнительного утепления и дизайнерской отделки внутренней поверхности, что также усложняет ее сборку.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания сферической пространственной конструкции, осуществление которой позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении веса размерного (сборочного) каркаса сферы до веса, позволяющего вести монтаж сверху вниз без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, в упрощении конструкции и сборки каркаса, в возможности минимизировать ошибку при получении шаровидной поверхности купола и повысить точность выполнения сферической поверхности.

Сущность изобретения заключается в том, что в заявленной сферической пространственной конструкции, включающей каркас сферы, новым является то, что каркас выполнен из отрезков тонкостенных профилей, соединенных с образованием полых ячеек, при этом площадь сечения профиля обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, к отрезкам профилей ячеек прикреплен жесткий отделочный материал в виде листов или плит, с образованием дна ячеек, при этом форма утеплительного материала конгруэнтна форме ячеек, на который уложен твердый утеплительный материал, форма которого также конгруэнтна форме соответствующих ячеек, при этом канавки, образованные между соседними плитами утеплителя, на часть их глубины заполнены твердеющим или твердым утеплительным материалом, а оставшееся свободное пространство заполнено арматурным каркасом и бетоном, при этом из бетона выведены арматурные «усы», взаимодействующие с объемной ячеистой структурой, уложенной на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, при этом бетонное покрытие объемной ячеистой структуры выполнено гидронепроницаемым. Кроме того, каркас выполнен из отрезков тонкостенных профилей с Т-образной формой сечения, плоскость горизонтального элемента которых обращена внутрь сферы; канавки между соседними плитами утеплителя на часть глубины заполнены монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки; объемная ячеистая структура представляет собой сетку «рабица»; объемная ячеистая структура покрыта гидробетоном или бетоном с добавками, обеспечивающими гидронепроницаемость.

Заявленный технический результат достигается следующим образом.

Существенные признаки формулы изобретения: «сферическая пространственная конструкция, включающая каркас сферы,…», являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.

В заявленном устройстве каркас сферы выполнен из отрезков профилей, соединенных с образованием полых ячеек, что позволяет равномерно распределить ребра жесткости каркаса по всей сфере, а следовательно, распределить равномерно жесткость и несущую поверхность конструкции. При этом, поскольку площадь сечения профиля обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, то это обуславливает возможность снижения веса каркаса и позволяет облегчить размерный (сборочный) вес каркаса до веса, позволяющего вести монтаж методом подъема сферы, т.е. сверху вниз.

При монтаже каркаса сферы сверху вниз каждый отрезок профиля самостоятельно под тяжестью земного притяжения занимает оптимальное положение, что обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по всем отрезкам профилей. В результате, при монтаже сверху исключаются концентрированные нагрузки и возможность кривизны конечного купола. В результате все вышеизложенное позволяет минимизировать ошибки при сборке каркаса. Как уже упоминалось выше, статистика показывает, что при стандартном монтаже снизу около 20% возведенных куполов имеют дефекты формы (нешарообразные купола). Кроме того, монтаж каркаса упрощается, поскольку ведется с земли.

В заявленном устройстве к отрезкам профилей ячеек каркаса прикреплен жесткий отделочный материал в виде листов или плит, с образованием дна ячеек. При этом выполнение каркаса сферы из отрезков профилей с Т-образной формой сечения, у которых плоскость горизонтального элемента обращена внутрь сферы, формирует внутри ячеек полки, что обеспечивает возможность закрепления в них отделочного материала. При этом выполнение формы отделочных материалов конгруэнтной форме ячеек каркаса обеспечивает плотный контакт боковых поверхностей отделочного материала с профилем, усиливая механическую связь отделочного материала с профилем каркаса.

Использование жесткого отделочного материала в виде листов или плит обеспечивает возможность его крепления к профилю каркаса, т.е. механического соединения с профилем каркаса, образуя с ним единое целое, что позволяет использовать прочностные характеристики отделочного материала для увеличения прочности каркаса.

Крепление отделочного материала к отрезкам профилей с образованием дна ячеек обеспечивает возможность заполнения каркаса утеплителем, а именно: на отделочный материал уложен твердый утеплительный материал. Причем выполнение формы утеплительного материала конгруэнтной форме соответствующих ячеек обеспечивает возможность плотного заполнения ячейки утеплителем, с усилием, что обеспечивает плотный контакт боковой поверхности утеплителя с соответствующими отрезками профилей каркаса. Поскольку канавки, образованные между соседними плитами утеплителя, на часть их глубины заполнены твердеющим или твердым утеплительным материалом (монтажная пена или клинообразные рейки из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки), все утеплительное покрытие в заявленной конструкции представляет собой единое целое. В результате повышается несущая способность каркаса сферы на сжатие. Это обусловлено тем, что стержни каркаса работают как стойки центрально сжатые и растянутые, а следовательно, они избыточны по прочности на расширение и недостаточны по сопротивлению сжатию. Утеплитель компенсирует данный недостаток, так как имеет обратную характеристику, а именно: лучше работает на сжатие, чем на растяжение. Возможность снижения веса каркаса позволяет использовать тонкостенные профили, что, в свою очередь, позволяет минимизировать ширину канавок между утеплительным материалом и способствует более прочному соединению профиля каркаса и утеплителя в одно целое. Кроме того, заполнение канавок между плитами утеплителя устраняет мостики холода, повышая эффективность использования утеплителя.

Таким образом, выбор твердых отделочного и утеплительного материалов, возможность механического крепления отделочного материала к профилю каркаса, возможность обеспечения плотного контакта боковой поверхности утеплителя с профилем каркаса, заполнение канавок между плитами утеплителя твердеющим или твердым утеплительным материалом, обеспечивают прочное механическое соединение отделочного и утеплительного материала с отрезками профилей каркаса, образуя с ним единую конструкцию, что позволяет использовать прочностные характеристики материалов заполнения каркаса для повышения жесткости каркаса и повышения несущей способности сферы. В свою очередь, последнее позволяет снизить вес каркаса, используя профиль, площадь сечения которого обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, а также использовать тонкостенный профиль.

Заполнение из арматурного каркаса и бетона в канавках, образованных между соседними плитами утеплителя, свободного пространства, оставшегося от утеплительного материала, обеспечивает достижение расчетной несущей нагрузки каркаса сферы.

Кроме того, наличие заполнения канавок в виде арматурного каркаса позволяет выполнить окончательное формирование каркаса сферы из армированного бетона методом несъемной опалубки, в качестве которой использованы канавки, образованные между соседними плитами утеплителя.

Ранее в сферических пространственных конструкциях метод несъемной опалубки для формирования несущего каркаса сферы не применялся и использован впервые автором изобретения.

В результате в заявленной сферической пространственной конструкции каркас представляет собой монолитную конструкцию, жесткость и несущая способность которой являются результатом суммирования соответствующих характеристик материалов, заполняющих каркас.

Объемная ячеистая структура, в качестве которой может быть использована сетка «рабица», уложенная на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, образует внешнюю оболочку сферы. Причем благодаря наличию арматурных усов, выведенных в процессе заполнения канавок бетоном, обеспечивается прочное соединение сетки «рабица» с каркасом через арматуру, забетонированную в канавки между плитами утеплителя. В результате массив оболочки сферы включается в несущую способность каркаса, что позволяет использовать прочностные свойства материала оболочки сферы и повышает как прочность, так и несущую способность всей конструкции.

Для обеспечения гидронепроницаемости, если слой дополнительной гидроизоляции не предусмотрен, внешнюю оболочку сферы выполняют из гидробетона или используют добавки к бетону, обеспечивающие достижение гидронепроницаемости.

Кроме того, в заявленной конструкции внешняя оболочка сферической поверхности представляет собой объемную ячеистую структуру, уложенную на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, т.е. в заявленной сферической пространственной конструкции внешняя оболочка сферы выполнена из армированного бетона методом открытой несъемной опалубки.

Ранее в сферических пространственных конструкциях метод открытой несъемной опалубки для формирования несущей оболочки поверхности сферы не применялся и использован впервые автором изобретения.

Из вышеизложенного следует, что в заявленной сферической пространственной конструкции в процессе ее сборки происходит ступенчатое наращивание прочности и несущей способности будущей сферической поверхности, за счет прибавления на каждом этапе жесткостных и несущих свойств заполняющих каркас материалов. В результате заявленная сферическая пространственная конструкция позволяет использовать несущую способность заполняющих каркас материалов для повышения прочности и несущей способности каркаса сферической поверхности. Это позволяет снизить вес каркаса, выполняя его из условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, и выполнять сборку каркаса сверху вниз. В результате упрощается конструкция и сборка каркаса, минимизируется ошибка при получении шаровидной поверхности купола и повышается точность выполнения сферической поверхности. Одновременно, использование жесткостных и несущих свойств заполняющих каркас материалов значительно снижает общий вес конструкции. Как показал опыт, вес готовой 16-метровой полусферы составляет менее 150 кг, что в 60-100 раз меньше веса куполов классической конструкции.

Таким образом, заявленная сферическая пространственная конструкция при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении веса размерного (сборочного) каркаса сферы до веса, позволяющего вести монтаж сверху вниз без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, в упрощении конструкции и сборки каркаса, в возможности минимизировать ошибку при получении шаровидной поверхности купола и повысить точность выполнения сферической поверхности.

На фиг.1 изображен (схематично) фрагмент заявленной сферической пространственной конструкции, вертикальный разрез; на фиг.2 - каркас заявленной сферической пространственной конструкции с примером заполнения утеплительным материалом.

Заявленная сферическая пространственная конструкция содержит каркас 1 (фиг.2), который выполнен из отрезков тонкостенных профилей 2, соединенных с образованием полых ячеек 3. Площадь сечения профиля 2 обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок. К отрезкам профилей 2 ячеек 3 прикреплен жесткий отделочный материал 4 в виде листов или плит, форма которых конгруэнтна форме ячеек 3, на который уложен твердый утеплительный материал 5, форма которого также конгруэнтна форме соответствующих ячеек (фиг.1, фиг.2). Канавки 6, образованные между соседними плитами утеплителя 5, на часть их глубины заполнены твердеющим или твердым утеплительным материалом 7, например монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки. Глубина заполнения канавки утеплительным материалом (толщина пены или рейки) соответствует требованиям по теплозащите.

Оставшееся свободное пространство заполнено арматурным каркасом 8 и бетоном 9. Из бетона 9 выведены арматурные «усы» 10, взаимодействующие с объемной ячеистой структурой 11, уложенной на всю поверхность сферы на утеплительный материал 5, на которую нанесен бетон 12. Бетонное покрытие 12 объемной ячеистой структуры 11 выполнено гидронепроницаемым, например, объемная ячеистая структура покрыта гидробетоном или бетоном с добавками, обеспечивающими гидронепроницаемость.

В примере выполнения каркас 1 выполнен из отрезков тонкостенных профилей 2 с Т-образной формой сечения, плоскость горизонтального элемента 13 которых обращена внутрь сферы.

Канавки 6 между соседними плитами утеплителя 5 на часть глубины заполнены монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки.

При сборке каркаса используют профили с расчетной площадью сечения. Форма сечения определяется дизайнером. В узлах каркаса используют простые плоскостные соединения, не имеющие уникальных размерностей.

Сборку каркаса выполняют с земли от верхней точки и далее - путем постепенного подъема собранной конструкции либо раздвижными стойками, либо на стойках с блочным (тросовым) подъемом, либо на воздушном подъемнике (надувается подушка, скроенная по форме купола).

Монтаж отделочного материала выполняют снизу вверх, что также упрощает способ сборки заявленной пространственной сферической конструкции.

Заполнение бетоном канавок 6 между плитами утеплителя 5 и покрытие сетки «рабица» 11 бетоном 9, 12 выполняют путем набрасывания, набрызгивания, торкретирования или иного способа заполнения бетоном.

При заполнении канавок 6 бетоном 9 выводят арматурные «усы» 10, например, путем размещения в канавке 6 вязальной арматурной проволоки в процессе заполнения канавки 6 бетоном, которую затем крепят к сетке « рабица» 11.

Толщину сетки «рабица» 11 выбирают, исходя требуемой толщины внешней оболочки сферы, например сетка «рабица» толщиной 20 мм.

При собранной сфере профиль 2 каркаса 1 меняет функцию: с конструктивной на декоративную, а именно: в виде облицовочных нащельников 14 или держателей облицовочных планок.

Таким образом, заявленная сферическая пространственная конструкция позволяет:

- снизить размерный (сборочный) вес каркаса до веса, позволяющего вести монтаж минимальному количеству монтажников без применения грузоподъемных механизмов методом подъема сферы, что минимизирует риск монтажа «кривых» (с ошибкой) сфер;

- упростить узлы соединения отрезков профилей до простого, например болтового, за счет возможности сборки каркаса сверху вниз и минимизации линейной ошибки возникающей при наложении толщин креплений каждого отрезка профиля в узловом соединении 5 и более отрезков; добиться правильной шаровидной поверхности купола;

- использовать для повышения прочности и несущей способности конструкции в целом полезные свойства (прочность и несущую способность) всех элементов массива сферы начиная от нащельников, отделочных панелей и утеплителя до гидрозащитной оболочки.

1. Сферическая пространственная конструкция, включающая каркас сферы, отличающаяся тем, что каркас выполнен из отрезков тонкостенных профилей, соединенных с образованием полых ячеек, при этом площадь сечения профиля обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, к отрезкам профилей ячеек прикреплен жесткий отделочный материал в виде листов или плит, с образованием дна ячеек, при этом форма утеплительного материала конгруэнтна форме ячеек, на который уложен твердый утеплительный материал, форма которого также конгруэнтна форме соответствующих ячеек, при этом канавки, образованные между соседними плитами утеплителя, на часть их глубины заполнены твердеющим или твердым утеплительным материалом, а оставшееся свободное пространство заполнено арматурным каркасом и бетоном, при этом из бетона выведены арматурные «усы», взаимодействующие с объемной ячеистой структурой, уложенной на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, при этом бетонное покрытие объемной ячеистой структуры выполнено гидронепроницаемым.

2. Сферическая пространственная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что каркас выполнен из отрезков тонкостенных профилей с Т-образной формой сечения, плоскость горизонтального элемента которых обращена внутрь сферы.

3. Сферическая пространственная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что канавки между соседними плитами утеплителя на часть глубины заполнены монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки.

4. Сферическая пространственная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что объемная ячеистая структура представляет собой сетку «рабица».

5. Сферическая пространственная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что объемная ячеистая структура покрыта гидробетоном или бетоном с добавками, обеспечивающими гидронепроницаемость.