У. У. Бэрд (США)
Хотя тканевые сооружения сравнительно недавно начали использоваться в качестве стационарных строительных форм, новое их поколение открывает в настоящее время новую страницу в истории строительства. Их быстрое признание оказалось возможным благодаря созданию уникального строительного материала — стеклоткани, покрытой тефлоном, — который был разработан специально для больших тканевых покрытий. За последние восемь лет из этого материала было построено более 20 крупных сооружений. Несколько других крупных проектов будут завершены в ближайшее время. Новое поколение сооружений включает в себя такие выдающиеся объекты, как тентовые конструкции студенческого центра и драматической студии колледжа в Ла Верне, пневматические покрытия студенческого центра в колледже Санта-Клара, стадиона «Юнидом» университета на севере Айовы, импозантного «Силвердома» в Понтиаке (Мичиган) — одного из крупнейших в мире крытых стадионов, вмещающего свыше 80 тыс. зрителей. Все эти сооружения покрыты воздухоопорными оболочками. Центр отдыха в Ганноверском парке — другой выдающийся пример тентовой конструкции, поддерживаемой жесткими арками.
Здания центра отдыха студентов в новом университете в Эр-Рияде, смонтированного в 1976 г., и Центра приема паломников Хадж площадью 418 050 м2, строящегося в Джидде (оба в Саудовской Аравии), демонстрируют выдающиеся эксплуатационные качества этого уникального нового материала, находящегося в неблагоприятных климатических условиях. К более поздним объектам относятся эффектное здание Флоридского фестиваля в Си Уорлде, Орландо (Флорида) — красивое тканевое сооружение, укрывающее экзотические магазины и сады, а также новый стадион и спортивный центр университета в Сиракьюсе. Новый стадион сооружается сейчас в Миннеаполисе, другие стадионы проектируются для Ванкувера (Британская Колумбия), Такомы (Вашингтон) и Индианаполиса (Индиана).
Помимо сооружений спортивного и рекреационного назначения, где популярность нового материала уже не вызывает сомнений, он используется в настоящее время для тканевых покрытий, укрывающих магазины розничной торговли, таких как большой пролет новых магазинов Баллока в Сан-Хосе и на острове Маринер (оба в Калифорнии). Фирма «Бэрдэйр» работает в настоящее время над проектом укрытия торгово-прогулочного центра в Майами.
Выдающиеся эксплуатационные качества этого уникального материала быстро завоевывают признание во всем мире применительно к стационарным тканевым сооружениям больших пролетов.
Предварительные сведения
Тканевые сооружения не являются новинкой. Первый воздухоопорный купол-обтекатель для радиолокационной антенны был установлен в 1948 г. С тех пор автор имел возможность демонстрировать исключительные свойства воздухоопорных и тентовых сооружений на примерах многих объектов. После основания в 1956 г. фирмы «Бэрдэйр» предусматривались различные направления использования этих сооружений в строительстве, а также рассматривались потенциальные возможности большепролетных воздухоопорных покрытий применительно к крупным сооружениям, предназначенным для отдыха и спорта. Однако полное признание тканевых сооружений могло произойти только с помощью новаторского творчества архитекторов и инженеров, заинтересованных в новых разработках и новой технологии. Чтобы поддержать идею применения тканевых конструкций в строительстве, автор часто делал доклады на специализированных совещаниях и симпозиумах, а также консультировал архитекторов и инженеров, интересовавшихся новой техникой.
Главным способом доказать реальность применения тканевых сооружений в области архитектуры была разработка проектов выставочных и зрелищных зданий. Такие сооружения, как «Пентадом» и выставочный павильон «Атомы для мира», созданные в первые годы существования фирмы, вызвали огромный интерес к пневматическим конструкциям. Однако реальная возможность совместной работы с архитекторами над новыми проектами была сначала связана с всемирными ярмарками и выставками. В данном случае и архитектор, и экспонент были заинтересованы в новом, необычном и захватывающем решении, чтобы привлечь внимание посетителей. Требования строительных правил были менее жесткими, а долговечность материала имела не столь большое значение вследствие временного характера сооружений. Фирма «Бэрдэйр» на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке в 1964 г. смонтировала 14 сооружений. Наш павильон провинции Онтарио на всемирной выставке ЭКСПО-67 в Монреале был выдающимся примером крупного тентового сооружения. В павильоне ФРГ, созданном Ф. Отто, использовался тент с придерживающей тросовой сетью.
Выставка ЭКСПО-70 в Японии была поистине тканевой страной чудес. Многие из павильонов имели тканевую конструкцию. Архитекторы и инженеры всего мира содействовали появлению многих уникальных решений. Фирма «Бэрдэйр» выступала в роли консультанта архитекторов Дэвиса и Броуди, авторов павильона США на выставке ЭКСПО-70. Когда их оригинальное первоначальное решение было отклонено в связи с урезанным бюджетом, выделенным законодательными органами, мы предложили свое решение в виде воздухоопорного купола с низким силуэтом, усиленного канатами. Однако из-за плохих грунтовых условий на участке применить обычную анкеровку было невозможно, и Д. Гейгер, который был инженером-конструктором первоначального проекта, предложил использовать сжатое кольцо и диагонально размещенные канаты, чтобы снизить стоимость анкеров. Фирма «Бэрдэйр» разработала основное решение тканевой крыши и технические требования к материалу, выбрав специальный материал из стеклоткани, покрытой ПВХ, который был успешно применен для оболочки павильона провинции Онтарио на выставке ЭКСПО-67, а также для других более ранних сооружений.
Исключительный успех павильона США на выставке ЭКСПО-70 и признание его возможностей как большепролетного сооружения вызвали огромный интерес к стационарным большепролетным тканевым конструкциям. Однако успех этого сооружения показал необходимость улучшения эксплуатационных качеств материала, в особенности его долговечности и невозгораемости, с целью получения признания со стороны заказчиков и должностных лиц, связанных со строительством. В то время как при разработке мобильных пневматических сооружений, используемых сезонно, или временных сооружений на выставках и ярмарках допускались отклонения от требований строительных правил, для большинства постоянных сооружений, в особенности для тех, которые использовались как места сбора людей, требовалось соответствие обычным строительным правилам.
К счастью, д-р Г. Горес из Лаборатории средств обучения некоторое время интересовался применением крупных тканевых сооружений как укрытий низкой стоимости для учебных целей. Фирма «Бэрдэйр» в тесном содружестве с д-ром Горесом разработала ряд экспериментальных сооружений для использования в школах. Д-р Горес пришел в восторг от приятного освещения интерьера громадных воздухоопорных сооружений с их полупрозрачной крышей и естественным дневным освещением и сказал, что они создают иллюзию «участка неба» или «частицы лета». Он был восхищен возможностями, предоставляемыми такими сооружениями, как павильон США, и согласился содействовать поискам новых материалов, которые могли бы обеспечить улучшение необходимых качеств сооружений.
Поиски привели к фирмам «Дюпон тефлон» и «Кемикэл фэбрикс корпорейшн», которые разработали материал из стеклоткани, покрытой тефлоном, предназначенный для использования в конвейерных лентах и для других технических целей. В то время как физические свойства доступных в то время материалов не отвечали требованиям, предъявляемым к строительным материалам, сочетание тефлона и стеклоткани, как казалось, давало возможность обеспечить повышенную долговечность и огнестойкость.
Стекло в виде волокон является исключительно удачным вариантом силовой основы материала. Оно имеет такую же удельную прочность1, что и сталь. К тому же оно несгораемо и выдерживает повышенные температуры, требующиеся при совмещении с большинством несгораемых синтетических смол. Тефлоновые (фторсодержащие) полимерные смолы являются наиболее химически инертными пластмассами и особенно примечательны тем, что хорошо противостоят ультрафиолетовому излучению, влажности и смогу находясь на открытом воздухе. Существенной потери прочности не наблюдалось даже в тонких пленках тефлона после 15-летней экспозиции под открытым небом.
Огнестойкость тефлона также исключительна. Он не поддерживает горение в атмосфере, содержащей менее 98% кислорода, и даже при прямом воздействии пламени продукты его распада не создают плотного дыма, характерного для большинства пластмасс, основой которых являются углеводороды. Фторополимеры также обладают существенно меньшей теплотой сгорания, чем углеводородные полимеры. Кроме того, сравнительно тонкое покрытие обеспечивает высокое светопропускание, а также эффективное самоочищение. Почти ничто не пристаем к тефлону. В конечном счете можно ожидать, что и светопропускание, и огнестойкость могут быть сохранены неопределенно долго, так как эти свойства присущи самой пластмассе и не зависят от добавок, которые могут давать выцветы на поверхности, окисляться, вымываться водой или подвергаться воздействию микроорганизмов. Таким образом, инертность тефлона удачно дополняет прочность и невозгораемость стектловолокна.
Для испытания и оценки были изготовлены образцы ткани. Испытания первых образцов показали, что они имеют низкое сопротивление сгибам и сминанию в складках и обычно не годятся для применения в строительстве. Было признано, что необходимы совместные усилия специалистов, имеющих опыт в этой области, чтобы разработать материал, обладающий нужными свойствами. В та время Джон Шейвер работал над проектом двух тканевых сооружений, для которых ему нужен был материал повышенного качества, в связи с чем возникла необходимость в ускоренной разработке материала, чтобы не была упущена возможность создания указанных сооружений из-за недостатка подходящего материала. С этой целью фирма «Бэрдэйр» объединилась с фирмой «Кемикэл фэбрикс корпорейшн» и при содействии главных поставщиков сырья — фирм «Дюпон» и «Оуэнс-Корнинг файберглас» — разработала долговечную ткань строительного назначения, получившую наименование «ширфилл»2.
Разработка уникального нового материала
При разработке композиций тефлона и стекловолокна необходимо было узнать особые свойства каждого материала и познакомиться с ними на практике. Хрупкость стекловолокна, без всякого сомнения, связана с присущими ему высокими прочностью и модулем упругости. Требовалось также разработать метод соединения тканевых полотнищ в крупные элементы мягкой оболочки, при этом с той же конструктивной целостностью, что и сама ткань.
Чтобы гарантировать предельную гибкость нити, испытание на хрупкость проводилось с использованием наиболее тонкого из возможных волокна типа «бета» диаметром 3,8 мкм. Опыт работы фирмы «Бэрдэйр» над предыдущими объектами показал, что ткань из «бета» выдерживаем изгиб и сминание в складку, возникающие при изготовлении и возведении сооружения, гораздо лучше, чем из пряжи типа С и DE. Для обеспечения требований прочности нити были сложены и переплетены в полотняную ткань, однако с большим числом просветов и достаточной волнистостью, чтобы увеличить удлинение, прочность на растяжение и светопроницаемость ткани с покрытием. Ткань была впоследствии подвергнута тепловой усадке и обработана патентованной отделкой для предотвращения проникания в пряжу воды, снижения самоистирания и повышения прочности материала на раздир.
Чтобы улучшить качество покрытия и избежать «булавочных, отверстий» и трещин высыхания, которые преобладали в ранних образцах, фирма «Кемикэл фэбрикс корпорейшн» разработала специальную патентованную смесь, применение которой содействовало закрытию просветов между нитями тяжелой ткани, необходимой для оболочек сооружений. Для повышения прочности во влажном состоянии и изгибаемости материала с целью увеличения его сопротивления повреждениям во время изготовления и установки сооружения, а также удлинения срока его службы использовались специальные методы предварительной обработки и покрытия.
При исследовании нового материала был использован опыт фирмы «Бэрдэйр» в разработке материалов для куполов-обтекателей и выставочных сооружений прежних лет. Были установлены минимальные требования и разработана методика испытаний для оценки свойств материалов при изготовлении сооружения, при транспортировке и возведении. Фирма «Бэрдэйр» разработала специальное сварочное оборудование, необходимое для обеспечения надежной техники сварки. Конструкция сварного шва предусматривает повышенную прочность и надежность.
В результате выполнения этой программы был создан материал, который не только имел высокую прочность и эксплуатационные качества, требующиеся для больших оболочек, но и обладал исключительной огнестойкостью, долговечностью не менее 20 лет и многими другими свойствами, делающими его идеальным для применения в качестве покрытий. Успех выполнения программы дал возможность группе исполнителей работать в тесном сотрудничестве с архитекторами и инженерами при разработке детального решения таких сооружений, в которых были бы учтены уникальные свойства данного материала. Новые материалы успешно использовались в воздухоопорном покрытии площадью 3730 м2 колледжа в Миллигене и в сооружениях для колледжа в Ла Верне площадью 5600 м2. Это первые крупные сооружения, изготовленные из ширфилла, — стеклоткани строительного назначения, покрытой тефлоном и специально разработанной для мягких оболочек.
В значительной мере успех этой разработки следует отнести на счет д-ра Гарольда Гореса из Лаборатории средств обучения и архитектора Джона Шейвера, которые обеспечили сотрудничество д-ра Джесси Джонсон из колледжа в Миллигене и д-ра Ли Нью-камберла из колледжа в Ла Верне. Последние на свой страх и риск предложили использовать свои лаборатории, чтобы проверить преимущества новой технологии. Их участие было решающим для успеха выполнения нашей программы.
Свойства стекловолокна, покрытого тефлоном
Механические свойства ширфилла приведены в табл. 1. Поскольку для тентовой конструкции, смонтированной в Ла Верне, требовалась более прочная ткань, чем для воздухоопорного сооружения колледжа в Миллигене, вначале выпускали ткань двух разных прочностей и масс. Следует отметить, что в табл. 1 приведены минимальные требуемые значения. Прочность на растяжение выпускаемого материала, определенная испытаннее полоски, на 15—20% выше требуемой. Нижние пределы требований были вначале установлены для того, чтобы учесть отклонения, неожиданно возникавшие при выпуске партий продукции прежних лет, в то время, когда техника нанесения покрытия и оборудование еще только разрабатывались. Более высокие требования будут установлены по мере подтверждения их опытом производства. Среди других выдающихся свойств данного материала можно отметить следующие.
Устойчивость к загрязнению и выцветанию. Тефлоновое покрытие после соединения его с тканевой основой имеет светлый рыжевато-коричневый цвет. Однако сам тефлон по своей природе, светлый, и после недолгого облучения покрытия прямым солнечным светом происходит его обесцвечивание, в результате чего материал приобретает красивый матовый белый цвет. Поскольку тефлон инертен и не подвержен влиянию большинства химических и промышленных загрязняющих веществ, он остается чистым и белым; пыль и грязь, которые могут на нем скапливаться, легко смываются во время дождя, причем сам материал остается чистым и привлекательным на вид. Сооружения колледжа в Ла Верне, размещенные в зоне смога Лос-Анджелеса, до сих пор имеют такую же чистую белую поверхность, какая была после их установки около восьми лет назад. Для сравнения ширфилла с полиэфирной тканью, покрытой поливинилхлоридом, можно сопоставить покрытие спортивного зала университета в Санта-Клара, возведенного рядом с плавательным бассейном, который сезонно укрывается оболочкой из полиэфирной ткани, покрытой поливинилхлоридом (рис. 1). Оба сооружения при их установке имели одинаковый белый цвет. Однако поскольку в поливинилхлорид для обеспечения требуемой гибкости и для улучшения других свойств вводят пластификаторы, выцветающие под длительным воздействием факторов светопогоды и собирающие пыль, поверхность оболочки сильно обесцвечивается. Тефлон же стоек к ультрафиолетовому облучению, гибок и не требует пластификаторов. Поэтому он не портится и сохраняет чистую поверхность.
Высокий модуль упругости, стабильность размеров. Тканевая основа из стекловолокна представляет собой сложный материал со сравнительно высоким модулем упругости. Стекловолокно обладает малой растяжимостью, и упругость материала должна быть достигнута за счет конструкции пряжи самой ткани. Эффективный модуль упругости составляет 900—1070 кН/м при коэффициенте Пуассона, равном 0,8—0,9. Стеклоткань отличается также высокой стабильностью размеров при переменных температуре и влажности. Поскольку точка плавления термопластичных компонентов превышает 315°С, механические свойства в области используемых температур в высшей степени стабильны.
Огнестойкость. Строительные правила США обычно требуют, чтобы материалы, используемые в постоянных сооружениях, отвечали строгим требованиям пожарной безопасности. Хотя было разработано много самозатухающих тканей и были представлены доказательства, что воздухоопорные сооружения в высшей степени безопасны в пожарном отношении, это не удовлетворило большинство должностных лиц. Поэтому особого внимания заслуживает то, что мягкие оболочки строительного назначения из ширфилла завоевали признание даже при учете наиболее строгих требований строительных правил США и были утверждены для каждого из представленных на рассмотрение сооружений, в большинстве которых предусматривалось значительное скопление людей. Ни в одном случае не потребовалось какого-либо изменения, обусловленного тем, что сооружение было скомпоновано в большей части из мягких, а не из обычных материалов.
По-видимому, наиболее убедительным испытанием, выполненным для подтверждения выдающейся огнестойкости ширфилла, было тоннельное испытание3, проведенное по американскому стандартному методу ASTME-84. Оно применяется Ассоциацией национальной пожарной защиты для того, чтобы оценить материалы в отношении их безопасности для жизни людей (NFPA 101). При проведении испытания по этому методу асбестоцементной доске дается показатель распространения пламени, равный 0, а полу из красного дуба — 100. Материалам с показателем ниже 25 присваивается класс А. Производятся также замеры дымовыделения и учет требуемого топлива.
При таком серьезном испытании тефлоно-стеклотканевые материалы, применяемые в постоянных сооружениях, включая ширфилл и фэбрасорб, относятся к классу А и являются, по-видимому, единственными техническими тканями, имеющими такой класс (табл. 4).
Общая светопропускаемость составляет 7—12%, при этом верхний предел определяется требованиями минимальной прочности на разрыв, а нижний предел — минимальной прочности на раздир, а также требованиями к адгезии покрытия. Колебания в пределах этих значений возможны только в ограниченной степени, насколько позволяют имеющиеся композиции покрытий, содержащие различные количества неорганических непрозрачных веществ. Светопропускание тканей, содержащих эти вещества, показано на рис. 2.
Интегральное светопропускание ширфилла I равно 7,5%, в то время как пропускание видимой части спектра дневного света составляет около 5%.
Было установлено, что ткани со светопропусканием около 12% дают достаточно света, чтобы обеспечить здоровый рост многих растений. Фирма CHEMFAB изготовила специальную ткань с исключительно высоким светопропусканием, приближающимся к 20%. Она была использована в здании Флоридского фестиваля (рис. 3), где в интерьере предусматривалась посадка местных растений, -привыкших к высокой инсоляции Флориды. Замеренный уровень освещения в мрачный зимний день в этом сооружении составил 2500 лм/м2, в то время как в ясный зимний день создается освещенность на уровне пола внутри здания около 7500 лм/м2.
Полагают, что для таких предприятий розничной торговли, как универмаги, которые довольствовались прежде хорошо освещенными и вентилируемыми капитальными зданиями, будут особенно пригодны конструкции из ширфилла. Энергия на освещение составляет до 50% всей требуемой энергии. Заметная экономия энергии, достигаемая путем снижения нужды в искусственном освещении, очевидна. Спектр света под крышей из ширфилла приближается к спектру дневного света, что дает в результате естественные цвета торговым витринам.
Дополнительная экономия энергии может быть также получена за счет снижения требований к охлаждению. Оценка этой возможности наилучшим образом может быть получена при изучении отражательной и передающей способности вместе с удельным термическим сопротивлением таких систем.
Свойства, обусловливающие экономию энергии. Показатели светопропускания, поглощения и отражения тканей ширфилл I, ширфилл II и фэбрасорб приведены в табл. 5.
Расчетная подача тепла для осветительных полос из ширфилла при сравнимой солнцепередаче существенно ниже, чем для остекления, что наводит на мысль о реальных выгодах, которые можно извлечь в результате уменьшения затрат на охлаждение и снижения эксплуатационных расходов во время холодного сезона. Подсчитано, что экономия энергии за счет уменьшения дневного освещения и затрат на охлаждение может достигать ежегодно 40—55%. Такие эксплуатационные качества нельзя игнорировать в мире, все более осознающем значение энергии. Указанные свойства тканевых сооружений с учетом стоимости эксплуатационного цикла делают эти сооружения более выгодными объектами капиталовложений, чем обычные сооружения, и притом с существенно более низкой начальной стоимостью при установке в подходящих климатических условиях (рис. 4).
Экономия энергии в тканевом сооружении может быть также достигнута за счет тщательного обращения с механической, вентиляционной и охлаждающей системами. В связи с обычно большим объемом подаваемого воздуха и высокими сводами здания тканевые сооружения хорошо подходят для «послойной стратегии», при которой допускается охлаждение только того слоя воздуха, который находится на уровне пола. Воздух более высоких температур под сводами здания будет тогда служить для того, чтобы уменьшать разницу между внутренней и внешней температурами и еще более снижать расход тепла. И наоборот, вентиляторы, расположенные под крышей, могут быть использованы для того, чтобы заставлять нагретый солнцем воздух идти вниз к полу, когда это желательно.
Если понимание тканевого сооружения как многослойного «окна» довести до своего логического завершения, то применение принципа управления энергией по отношению к окнам (а это относится ко всем теплопотерям, связанным с самой разнообразной техникой, включая передвижные системы и системы лучистой теплоизоляции) может привести к созданию сооружения, требующего мало дополнительной энергии для обеспечения комфорта в помещении.
Опыт эксплуатации
Эксплуатация сооружений с оболочкой из стекловолокна с тефлоном дала отличные результаты. Сооружения в Ла Верне4 в настоящее время служат уже почти восемь лет. В связи с высоким модулем упругости и хорошей стабильностью размеров данного материала при проектировании не было предусмотрено периодическое натяжение ткани, как это требуется для оболочек из большинства применяемых синтетических материалов. Излишнего или продолжительного снижения предварительного напряжения не наблюдалось, и вся оболочка остается равномерно туго натянутой и гладкой. Хотя швы находятся под высоким начальным предварительным напряжением, достигающим 17,8 кН/м, тщательное изучение оболочки не показало скольжения или ползучести швов даже при воздействии высоких температур.
Одной из наиболее существенных особенностей материала является сохранение чистой белой внешней поверхности при несложном уходе или даже без него. Тканевые сооружения очень заметны, и загрязнение или обесцвечивание материала портит их внешний вид. После восьми лет воздействия всех погодных факторов оболочки сооружений в Ла Верне так же белоснежны и привлекательны, как в момент возведения. Пыль и грязь, собирающиеся на поверхности в жаркий сухой летний период, легко смываются дождем.
Опыт, приобретенный в результате работы над воздухоопорными сооружениями, оказался в равной степени вдохновляющим. Эти сооружения, большей частью крупные, весьма подвержены различным повреждениям. Хотя во время бурь и наблюдались некоторые повреждения из-за потери давления воздуха, в целом материалы оказали стойкое сопротивление в тяжелых условиях работы. В образце материала, взятом из оболочки пневматического сооружения в Миллигене, которую после 5 с лишним лет службы нужно было заменить из-за штормовых повреждений, возникших вследствие плохой работы воздухоподающего оборудования, не было обнаружено значительных потерь физических свойств. Все данные испытаний превосходили первоначальные требования технических условий, и образец шва, вырезанный из поврежденной панели, показал полную прочность материала при испытании полосы на растяжение.
Повреждение бурей выявило одно очень важное преимущество большепролетных тканевых покрытий. Когда неожиданно происходил случайный разрыв, можно было отремонтировать или заменить поврежденную тканевую панель, и сооружение через несколько дней опять вводилось в действие. Две панели крыши стадиона в Понтиаке получили повреждения, когда жесткие боковые панели здания были сорваны во время неистового ветра и бури с дождем, что повлекло за собой потерю давления воздуха и опускание оболочки. Через три дня после бури сооружение опять эксплуатировалось, будучи восстановленным в предусмотренные графиком сроки. С другой стороны, ряд крупных обычных покрытий обрушился или был серьезно поврежден во время жестоких бурь, прошедших неожиданно несколько лет тому назад по всему северо-востоку США. Большинство этих обычных сооружений не могли эксплуатироваться месяцами, многие были совершенно разрушены и требовали полного восстановления. Таким образом, опыт эксплуатации ясно продемонстрировал, что мы имеем материал, который не только соответствует всем требованиям, предъявляемым к строительству постоянных сооружений, но и требует сравнительно мало ухода и может быть легко и быстро отремонтирован в случае неожиданного повреждения.
Фирма «Бэрдэйр» принимала участие в проектировании и изготовлении почти всех оболочек из покрытой тефлоном стеклоткани, возведенных за последние 8 лет. Никаких значительных проблем, связанных с материалом или изготовлением сооружений, не возникло, и все сооружения функционируют удовлетворительно. Материалы, техника изготовления и оборудование непрерывно совершенствуются с целью дальнейшего улучшения эксплуатационных качеств по программам будущего.
Во время работы с архитекторами и инженерами фирма «Бэрдэйр» продолжает подчеркивать важность сотрудничества с ними при обсуждении начальной идеи и разработке предварительного решения. Приобретенный фирмой опыт проектирования, изготовления и возведения крупных тканевых сооружений привел в результате к снижению стоимости сооружений и в значительной степени содействовал безусловному успеху всех наших проектов.
Особые соображения при проектировании
Физические свойства и конструктивные характеристики тканей с покрытием в огромной степени отличаются от свойств обычных строительных материалов. Чтобы получить максимум преимуществ от использования этих новых материалов, важно понять их уникальные свойства и полностью их учесть при проектировании, изготовлении и возведении сооружений.
Высокий модуль упругости, стабильность размеров. Воздухоопорные сооружения нагружаются главным образом так, что испытывают растяжение, в результате чего создаются в высшей степени благоприятные условия работы основного стекловолокнистого материала. Хотя стекловолокно имеет высокий модуль упругости и незначительную текучесть, усилия, вызываемые главным образом разностью давления, развиваются по поверхности мембраны; поэтому в правильно запроектированном сооружении тенденция к развитию концентраций напряжений незначительна.
Благодаря высокому модулю и стабильности размеров этого материала он особенно пригоден для двухосно напряженных растянутых тканевых сооружений, где требуются точные допуски на размер, чтобы точно контролировать предварительное напряжение и сохранить устойчивость. При раскрое и изготовлении оболочки должны быть соблюдены точные допуски. Правильно запроектированная тканевая оболочка, изготовленная из стеклоткани с тефлоновым покрытием, будет сохранять свою форму и стабильность без необходимости в повторном напряжении до тех пор, пока стабильна поддерживающая конструкция. Однако, как это будет рассмотрено ниже, особое внимание следует уделять методам раскроя и предварительного напряжения ткани, чтобы не препятствовать релаксации напряжений и избежать излишних перекосов или концентрации напряжений при предварительном напряжении.
Растяжимость материала. Физические свойства тканевых материалов с покрытием изменяются в зависимости от переплетения и конструкции ткани. Поскольку материал ширфилл представляет собой сочетание волокон стекла, имеющих высокий модуль, и тефлона с низким модулем и высокой степенью пластичности, способность материала к удлинению будет также меняться в зависимости от условий загрузки. Чтобы обеспечить правильное распределение напряжений и стабильность структуры при длительной нагрузке, важно точно знать свойства удлинения материала при заданных условиях загружения, времени и температуры, характерных для действительных условий эксплуатации. В этом заложен ключ к правильному проектированию.
Тканевые материалы анизотропны по своему характеру, что объясняется методом их прядения и покрытия. Физические свойства в направлениях основы и утка существенно различны, в особенности удлинения под нагрузкой. Для точного контроля размеров, необходимого для обеспечения правильной формы сооружения и требуемых напряжений, панели должны быть тщательно раскроены, а форма скомпенсирована так, чтобы учесть любое изменение в удлинении при действительных условиях загружения. Для получения точных данных фирма «Бэрдэйр» разработала оборудование и специальную методику испытаний при двухосном напряжении, которые включают действие циклической нагрузки в направлениях основы и утка, чтобы обеспечить характеристики удлинений, соответствующие действительным условиям работы оболочки.
Испытания при двухосном напряжении выполняются для того, чтобы охарактеризовать определенную конструкцию или расход материала. Для учета разброса свойств материала, что обнаруживается от рулона к рулону, взаимосвязь между одноосным и двухосным напряжениями при конкретных условиях нагружения наносится на график. Типичные взаимоотношения между одноосным и двухосным удлинениями материала ширфилл I показаны на рис. 5. Было установлено, что, пользуясь этими данными, можно тщательно проследить изменения показателей удлинения от рулона к рулону с должной компенсацией, предусмотренной для того, чтобы гарантировать правильную форму сооружения и требуемое распределение напряжений.
Из-за волнистости текстиля действительный коэффициент Пуассона материала высок. Когда нагрузка водном направлении двухосно напряженного материала увеличивается, то удлинения материала в противоположном направлении в связи с волнистостью уменьшаются. Свойства материала при двухосном напряжении при ожидаемых условиях нагрузки должны быть точно определены, чтобы обеспечить желаемое развитие предварительных напряжений во время монтажа сооружения. Чередование волнистости зависит от характера переплетения и конструкции ткани и является решающим для эксплуатационных качеств, в особенности для сооружений из напряженной ткани.
Предварительное напряжение ткани при монтаже. Материалы всех тканевых сооружений должны быть предварительно напряжены для того, чтобы стабилизировать оболочку, предохраняя ее от излишних перекосов или перемещений, и поддерживать желаемое распределение усилий. Воздухоопорные сооружения наиболее легко поддаются напряжению, так как форма оболочки обыкновенно допускает монтаж в свободном, по существу ненапряженном состоянии. Напряжение ткани появляется по мере того, как сооружение наполняется воздухом и давление в нем возрастает; таким образом, пневматические сооружения являются в действительности «посленапряженными».
Напряжения в обычной тентовой оболочке должны быть созданы после ее монтажа, таким образом она становится предварительно напряженной. Там, где возможно, должно быть предусмотрено крепление к анкеровке в свободном состоянии, при этом напряжение прилагается посредством винтовых муфт или других натяжных устройств. Сооружение в Ла Верне предварительно напрягали путем выжимания вверх колонны, чтобы натянуть радиальные канаты и развить в ткани желаемое натяжение. Там, где ткань прикреплена к жестким рамам, это, как правило, невозможно, и необходимо разработать метод крепления, который допускает предварительное напряжение, когда ткань уже прикреплена.
Процесс предварительного напряжения тентового сооружения является решающим фактором проектирования, поскольку стоимость установки в зависимости от конструктивного решения может колебаться в широких пределах. Величина предварительного напряжения должна быть выбрана на основе свойств удлинения материала, определенных при двухосном испытании. Необходимо сделать допуск на ожидаемое снижение напряжения в действительных условиях работы. В связи с этим обычно вначале ткани дается предварительное напряжение, превышающее желаемый уровень, чтобы учесть релаксацию, которая возникает под действием временной и длительной нагрузок.
Сгибы и складки. Оболочка воздухоопорных или тентовых тканевых сооружений подвергается в первую очередь нагрузкам, вызывающим растяжение. Изгиб и складкообразование обычно возникают только во время транспортировки и монтажа. Несмотря на достижения по разработке материала, способного выдерживать грубое обращение, во время монтажа сооружений следует позаботиться о том, чтобы избежать образования острых складок и смятия материала, и разработать такую технику возведения оболочки, в результате применения которой материал не должен подвергаться грубому обращению.
Необходимость в специальном обращении со стеклотканью раньше ограничивала ее применение, поскольку изготовители и монтажники редко обладали необходимым опытом. Чтобы решить эту проблему, для крупных сооружений разработали такую технику изготовления, которая позволяла раскатывать ткань на полу, раскраивать, разрезать и соединять, используя минимальное число операций. Если допускает проект, устанавливают такие размеры полотнищ, которые позволяют намотать материал на стальные трубы для перевозки на участок, для облегчения подъема и обращения с материалом при монтаже оболочки. Для крупных панелей двоякой кривизны разработана специальная технология сборки и складирования, которая предохраняет материал от повреждений путем устройства мягких прокладок и применения определенной последовательности складывания.
Например, каждая из 210 модульных секций сооружения Хадж5, содержащая почти 2600 м2 материала, изготовлена одним куском. Каждый элемент был особо сложен и упакован для перевозки в Саудовскую Аравию.
Методы изготовления и упаковки должны быть согласованы с техникой возведения, чтобы монтаж мог быть выполнен эффективно и материал не подвергался грубому обращению. Оболочку обычно собирают на заводе в укрупненные панели, чтобы свести время возведения к минимуму, так как панели во время их монтажа более всего подвержены повреждениям от ветра. Необходимо разработать такую методику, чтобы стабилизировать панели во время возведения сооружения и свести к минимуму периоды возможного их повреждения.
Рекомендуемый коэффициент запаса. В связи с особенностями тканей для них рекомендуется принять более высокий коэффициент запаса, чем для традиционных материалов. Коэффициенты запаса обычно принимают исходя из данных испытаний на растяжение. Принятие более высокого коэффициента запаса способствует учету более низкой прочности ткани, когда она подвергается непрерывным нагрузкам, а также учету неопределенности величины и распределения аэродинамической нагрузки на сооружения самой разнообразной формы. Поскольку основную нагрузку воспринимает тканевая оболочка, подвергающаяся воздействию погоды, но не каркас, дополнительный запас прочности предохраняет от возрастающего износа материала.
Минимальный запас прочности, обоснованный 30-летним опытом работы с военными и гражданскими сооружениями и равный 4, был принят в качестве стандарта при проектировании всех оболочек. Ожидается, что стеклоткань, покрытая тефлоном, получит меньше повреждений, и поэтому такие оболочки окажутся гораздо более долговечными. Для проектирования при расчете на предельную нагрузку рекомендуется запас прочности, равный 4. Учитывая отрицательные явления, возникающие при длительном и непрерывном воздействии высоких нагрузок на ткань и швы, рекомендуется запас прочности, равный 8—10 по отношению к усилиям от предварительного напряжения.
Перспективы. Полагают, что уникальные свойства нового материала в значительной мере будут способствовать признанию тканевых конструкций в архитектурных сооружениях в будущем. В добавление ко многим новым стадионам, находящимся в настоящее время в процессе возведения, воздухоопорные и тентовые тканевые оболочки запроектированы или же в настоящее время проектируются для ряда других сооружений, включая торгово-прогулочные центры, зоопарки и даже правительственные административные комплексы. Новый вокзал Хадж площадью 418050 м2 в международном аэропорту Джидда в Саудовской Аравии сейчас находится в стадии строительства. Он будет служить центром приема паломников, посещающих Мекку. Это сооружение имеет пугающие воображение пропорции, но оно представляет собой идеальный пример применения нового материала, который способен обеспечить красивую и к тому же долговечную крышу в условиях тяжелого климата страны. В настоящее время разрабатываются новые материалы со специальными свойствами, которые, как мы ожидаем, будут обладать улучшенными характеристиками по отношению к свету, требующимися для покрытий, эффективных для пассивных систем использования солнечной энергии. Сейчас изучаются возможности укрытия целого поселка на севере Канады.
Хотя невозможно предвидеть новые области применения покрытых тефлоном стеклотканей, которые могут быть разработаны в будущем, полагают, что возможности их почти безграничны. Фирма «Бэрдэйр» была инициатором в области современных тканевых сооружений и находится во главе новых разработок свыше 20 лет. Мы надеемся, что будем в состоянии использовать наш обширный опыт для помощи архитекторам и инженерам при разработке тканевых сооружений, отвечающих многим новым требованиям.
Примечания
1. Подразумевается отношение предела прочности к плотности.
2. Технические данные по ширфиллу предоставлены д-ром Дж. А. Эффенбергером, фирма «Кемикэл фэбрикс корпорейшн».
3. Соответствует методу огневой трубы.
4. Два сооружения в Ла Верне являются тентовыми, механически напрягаемыми.
5. Тентовое покрытие международного аэропорта Джидда, Саудовская Аравия.