В самой середине нынешнего века страницы газет и популярной технической периодики запестрели сенсационными заголовками: «Воздушные замки XX века», «Сооружает вентилятор», «Крышу держит воздух», «Дома из ... воздуха», «Воздух в роли строителя», «Надуйте, пожалуйста, здание!», «Этажи поднимает ветер» и т. п.

Поскольку пневматические или надувные конструкции — вещь не такая уж новая (достаточно вспомнить аэростаты и надувные лодки), казалось бы, оснований для ажиотажа было недостаточно. Ведь известно, что надувные замкнутые оболочки существовали с незапамятных времен. Во всяком случае, «изобретательские заявки» на их использование в качестве плавсредств были выбиты на каменных стенах Ассирии почти 3000 лет тому назад.

Тем не менее, эмоции журналистов были вполне обоснованы. Появилось совершенно новое направление использования надувных конструкций. Только современная техника, в частности химия полимеров, сделала выработку прочных и воздухонепроницаемых материалов такой массовой, что стала возможной реализация идеи о покрытии мягкими оболочками многих сотен квадратных метров полезной площади.


Несмотря на кажущуюся простоту пневматические строительные конструкции являются продуктом высоко развитой техники второй половины XX в. При всей стародавности идеи как реальность они появились совсем недавно. И в этом нет ничего удивительного. Дело не только в том, что в прошлых веках еще не было синтетического волокна (но были хлопок и натуральный шелк!), полимеров для придания тканям воздухонепроницаемости (но были натуральные смолы и масла!), электровентиляторов (но были кузнечные мехи и паровые машины!), хотя все это очень важно. Однако еще важнее такие факторы, как прочность и долговечность материалов, а также устойчивость работы воздухоподающих систем, которые делают эксплуатацию сооружений надежной, как делает надежным самолет устойчивость работы его двигателей, т. е. все то, что составляет понятие высокой технической культуры, необходимого уровня которой минувшие века еще не достигли.

Пневматические строительные конструкции обычно делят на две совершенно самостоятельные группы: воздухонесомые и воздухоопорные, отличающиеся друг от друга принципом статической работы, конструкцией и характером эксплуатации (табл. 1).


Рис 1. Проект пневмолинзового покрытия над спортзалом
Рис 1. Проект пневмолинзового покрытия над спортзалом
Говоря о пневматических конструкциях, нельзя не упомянуть имя проф. Г. И. Покровского, выступавшего с 1936 г. в печати с проектами зданий из пневмостержневых и пневмолинзовых элементов. Сам автор тогда считал их фантастическими, но сейчас их уже можно назвать устаревшими и отнюдь не потому, что они были негодными, а просто действительность прошла через них и опередила их. Заметим, что изображенное им пневмолинзовое покрытие зала (рис. 1) является первой публикацией этой идеи, которая в очень яркой форме была материализована фирмой Бэрдэйр в 1959 г. в виде покрытия над летним театром в Бостоне. После бостонского театра пневмолинзы в мировой строительной практике использовались неоднократно. Например, ими была перекрыта в 1974 г. целая торговая улица шириной 29,4 м и протяженностью 185 м в г. Марле, ФРГ. Однако размеры бостонского покрытия (диаметр 44 м) до сих пор остаются рекордными.

Развитие воздухоопорных, типично строительных конструкций шло совсем другими путями. Несмотря на успехи воздухоплавания, начавшегося еще в XVIII в. (полеты Крякутного в 1731 г. и братьев Монгольфье в 1783 г.) и основанного на использовании подъемной силы горячего воздуха (а затем водорода и гелия), заключенного в большую газонепроницаемую оболочку, мысль об использовании этих же оболочек, но прикрепленных к земле и наполненных воздухом, родилась до удивления поздно. Вероятно, ее рождению помешал пафос воздухоплавания, и «приземлять» его казалось нелепым. Только этим можно объяснить то, что опущенные на землю аэростаты заграждения, лежавшие во время войны на городских площадях, не превратились в надувные дома.

А ведь надувные здания были изобретены еще в 1917 г. английским инженером Фредериком У. Ланчестером (английский патент № 119339). Это была конструкция воздухоопорного цилиндрического свода со сферическими окончаниями, содержавшего все элементы современного пневматического сооружения — оболочку, анкерное устройство для крепления к грунту, входные шлюзы, воздухоподающую установку и даже систему усиливающих кольцевых канатов, которую и сейчас еще считают новинкой.

В 1938 г. Ф. У. Ланчестер опубликовал в печати новый проект воздухоопорного купола диаметром 330 м, как бы парящего над капитальным, квадратным в плане зданием. В конструкции купола были предусмотрены горизонтальные кольцевые канаты усиления, на наш взгляд, менее нужные, чем меридиональные.

Следующий проект воздухоопорного здания был разработан в 1941 г. американцем Гербертом Г. Стивенсом. Это был очень пологий сферический сегмент с диаметром основания 366 м. Замечательно то, что материалом оболочки служила листовая сталь толщиной 1,27 мм.

Обращает на себя внимание тот факт, что и первоначальный проект Ланчестера, и проект Стивенса были выдвинуты в военные годы (соответственно 1917 и 1942). Первый предназначался для размещения полевых госпиталей, второй для авиасборочных заводов. Оба проекта подчеркивали, с одной стороны, стремление инженеров помочь своим странам преодолеть трудности военного времени, а с другой — демонстрировали присущую только пневматическим сооружениям ценную для того времени способность быть смонтированными за несколько дней.

Ни один из этих проектов, тем не менее, реализован не был. Мало того, они были просто забыты. И когда в 1946 г. американский авиационный инженер Уолтер У. Бэрд, выполняя задание (опять-таки военного характера) по разработке конструкции ра-диопрозрачного укрытия для вращающихся антенн радиолокаторов дальнего обнаружения, натолкнулся на мысль об использовании пневматических оболочек, он даже не знал о проектах Ланчестера, инженерный гений которого сумел превратить пневматический конструктивный элемент — «аэробалку» — в воздухоопорное здание.

Первое в мире реальное воздухоопорное здание, смонтированное У. У. Бэрдом в 1948 г., представляло собой сферический купол диаметром 16 и высотой 12 м. Некоторое время это изобретение держалось под секретом, но когда к началу 50-х годов сотня таких «радомов» выстроилась вдоль северных границ Америки, скрывать их стало бессмысленным. В 1956 г. Бэрд решил организовать свою собственную фирму «Бэрдэйр». Бизнес оказался выгодным, хотя сразу же появилось несколько конкурирующих фирм. Одна из них — «Сидэйр» — ухитрилась выбросить на рынок первые образцы своей продукции даже раньше Бэрда. В 1957 г. в США насчитывалось уже около 50 подобных фирм. Многие из них не выдержали конкурентной борьбы и прекратили свое существование, чему способствовало и то, что, не обладая опытом Бэрда, они совершили ряд технических ошибок, которые показали им, что воздухоопорные сооружения не так уж просты, как это может показаться с первого взгляда.

Европа в создании пневматических сооружений оказалась позади, и первым воздухоопорным зданием, которое увидели европейцы на своей земле в 1958 г., был изготовленный американской фирмой «Ирвин» выставочный павильон авиакомпании ПАНАМ на брюссельской Всемирной выставке. Вслед за этим во многих европейских странах и в Японии началось интенсивное освоение пневматических сооружений. Специализированные фирмы возникли практически во всех технически развитых странах.

Несмотря на ранние проектные начинания в области пневматических строительных конструкций (имеются в виду разработки Сумовского и Покровского), практическая реализация идеи воздухоопорных зданий в СССР началась с некоторым запозданием. Первое пневматическое сооружение — сферический купол диаметром 36 м был создан в 1959 г., второе — шлемовидный купол диаметром 22 м — в 1960 г., третье — полуцилиндрический свод со сферическими торцами и автоматической системой регулирования поддува воздуха был смонтирован в 1960 г., а в 1961 г. экспонировался на ВДНХ в Москве. Оно стало первым в стране пневматическим сооружением, доступным для обозрения многим тысячам посетителей выставки.

Отделение истории воздухонесомых пневматических конструкций от истории воздухоопорных зданий не должно создавать впечатления полной независимости их развития друг от друга. Это было сделано лишь для того, чтобы показать, что идея использования в качестве эксплуатируемого пространства подоболочечного объема с повышенным давлением воздуха оказалась настолько плодотворной, что немедленно вызвала к жизни многие забытые проекты пневмостержневых и пневмопанельных строительных конструкций.

На самом деле обе разновидности пневматических сооружений развивались одновременно, параллельно, и очень часто одни и те же научно-исследовательские организации, конструкторские бюро, специализированные предприятия и фирмы занимались ими обеими. Это вполне естественно. Не говоря об общем принципе, сходных материалах и расчетно-теоретических проблемах, воздухонесомые и воздухоопорные конструкции нередко объединялись в едином сооружении комбинированного типа, обладающем признаками того и другого типов.

Настоящее

Воздухонесомые (пневмостержневые и пневмопа-нельные) строительные конструкции в настоящее время заметного распространения не получили. В СССР насчитывается несколько экспериментальных образцов. За рубежом серийный их выпуск также не производится, несмотря на ряд попыток многих фирм, в том числе таких солидных, как «Бэрдэйр» (США) и «Тайо Когио» (Япония). Это объясняется следующими недостатками воздухонесомых конструкций:

  • ограниченность пролетов, при экономической целесообразности не превышающих 12—15 м;
  • высокое рабочее давление воздуха в оболочках, обусловливающее повышение требований к материалам, и трудности обеспечения полной герметичности;
  • высокая стоимость, в 3—4 раза превышающая стоимость воздухоопорных зданий.
Существенным достоинством воздухонесомых конструкций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и связанного с этим процесса шлюзования. Однако реализация данного преимущества сдерживается наличием указанных выше недостатков.

Воздухоопорные сооружения, наоборот, получили в строительстве очень широкое распространение. Общее число их во всем мире составляло в 1972 г. 20 тыс., а в 1976 г. — 50 тыс. единиц. Считается, что сейчас их около 100 тыс., т. е. ими перекрыто по меньшей мере 50 млн. м2 полезной площади. Воздухоопорные здания отличаются простотой конструкции, безопасностью и безотказностью при эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты, а при условии постановки внутренних оттяжек — неограниченные площади.

Статистика последних лет свидетельствует, что в основном это складские помещения (50—70 %) и покрытия спортивных сооружений (20—40 %). Выставочные павильоны и укрытия строительно-монтажных площадок, более эффектные по размерам или эстетическим качествам, уступают им по массовости применения.

Нынешнее состояние и тенденции развития строительных конструкций типа мягких оболочек характеризуются следующими чертами:

  • сдвиг в сторону стационарного использования воздухоопорных оболочек (т. е. во всевозрастающем числе случаев монтаж их осуществляется на стационарных фундаментах), блокирования с капитальными сооружениями, повышения долговечности сооружений;
  • расширение практики использования «мягких каркасов» — канатно-сетчатого усиления оболочек (например, в США около 30 % воздухоопорных зданий изготавливают с таким усилением);
  • некоторая «заторможенность» развития воздухонесомых пневматических конструкций;
  • повышение интереса к тентовым покрытиям, т. е. к мягким оболочкам, предварительное натяжение которых создается не аэростатическим способом, а механическим;
  • зарождение «пневматической архитектуры» — появление таких пневматических зданий и сооружений, которые можно отнести к произведениям искусства.
Качественную сторону этого процесса определяют следующие технические достижения или тенденции:
  • успешная разработка новых материалов мягких оболочек — прочных, долговечных, несгораемых, недорогих;
  • повышение функциональной устойчивости (надежности) воздухоподающей системы путем использования автоматики, обеспечивающей своевременное введение в действие дублирующих вентиляторов или резервных генераторов электроэнергии по сигналам датчиков о падении давления воздуха под оболочкой, отсутствии тока в сети, повышении скорости ветра; решение проблемы больших пролетов;
  • решение проблемы перекрытия больших площадей с созданием искусственного климата под оболочкой;
  • исследование возможности использования оболочек в качестве коллекторов солнечной энергии.

Совершенствование материалов оболочек

Принципиальные требования, предъявляемые к материалам оболочек пневматических конструкций, сводятся к двум: прочности и воздухонепроницаемости. Обоим этим требованиям удовлетворяют композиционные материалы, состоящие из силовой основы (ткани или сетки) и воздухонепроницаемого слоя (полимерного покрытия или дублирующей пленки). В результате появляются два вида материалов — ткани, покрытые или пропитанные пастообразными полимерами, и двойные пленки с размещенным между ними армирующим слоем в виде сетки из синтетического волокна. Первый вид распространен значительно шире, чем второй.

Кроме этих двух требований, названных принципиальными, поскольку с ними связана возможность реализации принципа пневматической конструкции вообще, существует ряд дополнительных — несгораемости, светопроницаемости, стойкости против химической или биологической агрессии, против действия низких и высоких температур, требования технологичности в смысле массовости производства, удобства стыкования полотнищ и др. Всем им современные материалы в той или иной степени удовлетворяют. Однако есть еще один важный показатель совершенства материала оболочек — долговечность. И в настоящее время тенденция развития материалов склоняется не столько в сторону прочности, сколько в сторону долговечности.

Современные материалы оболочек пневматических конструкций можно разбить на две группы. Первая — материалы обычных оболочек массового, серийного изготовления со сравнительно небольшими пролетами (до 60 м). Силовую основу материалов первой группы представляют ткани из синтетического волокна — полиамидного (капрон, нейлон, дедерон, перлон, силон, стилон и др.) или полиэфирного (лавсан, дакрон, гризутен, диолен, тревира, теторон, терилен и др.), реже поливинилспиртового (винол, винилон, куралон и др.) или полиакрилнитрильного (нитрон, орлон, дралон и др.).

В последние годы ведется разработка тканей из полиамидного волокна — СВМ в СССР и кевлара в США1. Разрывная прочность этого волокна превышает прочность полиэфирных и полиамидных волокон и стали и равна прочности стекловолокна.

Наиболее распространенным покрытием материалов первой группы является пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ) или хлорсульфированный полиэтилен (хайпалон), реже употребляются синтетические каучуки.

Прочность материалов первой группы колеблется в широких пределах — от 40 до 100 кН/м (4—10 тс/м). Обычный срок службы оболочек из них составляет 5—10 лет, существенно уменьшаясь в районах с высоким уровнем солнечной радиации, разрушающей синтетическое волокно. Наилучшую защиту от ультрафиолетового облучения дало бы черное покрытие, но это делает материал светонепроницаемым. Кроме того, воздух под черной оболочкой сильно нагревается, превышая наружную температуру более чем на 10°С.

Другая группа — это материалы, специально разработанные Для оболочек уникальных сооружений, которые предназначены для длительной эксплуатации. Поиск волокон для силовой текстильной основы, прочных и стойких к ультрафиолетовому излучению, заставил обратиться к неорганическим материалам, и прежде всего к стеклянному, стальному и даже угольному волокнам. Эти материалы к тому же несгораемы.

Интересно вспомнить, что оболочка первого воздухоопорного здания, возведенного У. Бэрдом в 1948 г., была выполнена из стеклоткани, покрытой неопреном. Сейчас к стекловолокну охотно возвращаются. Например, павильон США на ЭКСПО-70 в Осаке, а за ним ряд большепролетных покрытий спортивных сооружений, смонтированных в США в течение 1974—1982 гг., имели в качестве силовой основы материала оболочек стеклоткань.

Долговечность материала оболочки зависит и от срока службы полимерного покрытия ткани. Ни ПВХ, ни хайпалон, ни синтетические каучуки особой долговечностью не отличаются. Задачу создания более стойких покрытий решили путем использования фторсодержащих полимеров. Например, покрытия из тефлона (политетрафторэтилена) предположительно могут служить 20—30 лет, обладая к тому же светопроницаемостью и способностью отталкивать грязь. Стоимость таких материалов покрытий пока еще очень высока, примерно в пять раз выше стоимости материалов первой группы, вследствие чего их применяют только для капитальных сооружений. Разработанные специально для этих целей материалы под фирменными названиями ширфилл и фэбрасорб детально рассматриваются в статье У. Бэрда «Стеклоткань, покрытая тефлоном, — уникальный новый материал для тканевых сооружений», публикуемой в настоящем сборнике.

Металл как материал пневматических конструкций может быть использован не только в виде волокна. Обладая прочностью и воздухонепроницаемостью, металлические листы сами по себе представляют готовый материал воздухоопорных оболочек. Использование тонких металлических листов в этих целях связано со следующими затруднениями:

  • предотвращением концентрации напряжений в металле при складкообразовании во время перехода оболочки из неподдутого состояния в поддутое и наоборот;
  • сложностью соединения между собой тонких листов;
  • повышенной опасностью потери прочности в результате коррозии.
Все эти недостатки металлических мембран в той или иной мере преодолеваются. Доказательством могут служить два примера возведения воздухоопорных зданий с металлическими оболочками.

Рис. 2. Металлическое воздухоопорное покрытие стадиона
Рис. 2. Металлическое воздухоопорное покрытие стадиона
1. Покрытие спортивной арены в г. Галифаксе (Канада) размером в плане 91,5X73,2 м со стрелой подъема 3 м (рис. 2), построенное в 1979 г. по проекту инж. Д. Синоски [3]. Оболочка выполнена из 27 полотнищ нержавеющей стали толщиной 1,6 мм. Швы между полотнищами перекрыты складчатыми гибкими накладками, компенсирующими сдвиги листов при переходе из плоского во вспарушенное или, наоборот, в провисшее состояние.

2. Купол диаметром 20 и высотой 6 м, возведенный в Японии по проекту М. Кавагучи [4]. Оболочка выполнена из 72 полотнищ меридионального направления, изготовленных из стали толщиной 0,3 мм. Образующая поверхности вращения подобрана так, чтобы при действии избыточного давления воздуха кольцевые усилия были нулевыми. Это существенно упростило конструкцию меридиональных стыков полотнищ.

Проблема больших пролетов

Одна из важнейших тенденций прогресса в строительстве — перекрытие больших пролетов при малом расходе материалов. Можно утверждать, что в этом отношении пневматические конструкции представляют собой предел достижимого. Вряд ли появится какая-нибудь другая конструкция, где на 1 м2 перекрываемой площади расходуется менее 1 кг материала. Единственные из строительных конструкций, у которых собственный вес 1 м2 не увеличивается с ростом пролета, — пневматические.

Увеличение пролета воздухоопорной оболочки, естественно, вызывает в ней повышение усилий. Для решения этой проблемы требуется либо повышение прочности материала, либо создание новых конструктивных форм, дающих возможность искусственного. Увеличения местной кривизны поверхности оболочки. Последний путь более рационален. Превращение гладкой поверхности оболочки с большим радиусом кривизны в поверхность сильно искривленную — гофрированную, ребристую, пузырчатую, бугорчатую — возможно лишь при использовании дополнительных или, как их часто называют, усиливающих элементов (канатов, сетей, оттяжек, диафрагм).

Пролеты оболочек, не имеющих «мягкого каркаса» в виде канатов или сеток, достигли следующих пределов: цилиндрические 57 м, пологие сферические 74 м, подъемистые в 3Д сферы — 64 м. Дальнейший рост пролетов таких оболочек требует использования сверхпрочных материалов, создание которых хотя технически и возможно, но экономически нецелесообразно.

Рис. 3. Половина плана покрытия спортзала в Сидар Фоллс (США)
Рис. 3. Половина плана покрытия спортзала в Сидар Фоллс (США)
Задачу увеличения пролетов воздухоопорных оболочек в настоящее время решают путем введения в их конструкцию усиливающих элементов. Использование канатов и сетей позволяет передать им основные силовые функции, а оболочку разгрузить, предоставив ей роль ограждения и выполнения локальных силовых функций лишь в пределах межтросовых ячеек. Канаты из стали или синтетического волокна, одиночные или сплетенные в сети, позволят во много раз увеличить пролеты сооружений. В то же время Требования к прочности материала самой оболочки могут быть снижены.

Использование высокой несущей способности стальных канатов сразу изменило ряд конструктивных черт воздухоопорной оболочки. Прежде всего она стала пологой. Возросшие при этом усилия от избыточного давления воздуха не превысили требований к прочности самой оболочки — усилия пришлись на канаты. В то же время ветровое воздействие на пологую оболочку снизилось как в его активной зоне, так и в зоне отсоса.

Рис. 4. План расположения усиливающих канатов на воздухоопорных оболочках
Рис. 4. План расположения усиливающих канатов на воздухоопорных оболочках
Распор воспринимает сжатое опорное железобетонное кольцо с таким расположением канатов, при котором моменты, изгибающие кольцо, минимальны. Основные геометрические зависимости, позволяющие достигнуть минимума моментов, изгибающих опорное кольцо (рис. 3), запатентованы одним из создателей этой системы — Д. Гейгером. В частности, он доказывает, что если план покрытия представляет собой прямоугольник со срезанными углами, то линии среза также должны быть параллельными диагоналям этого прямоугольника (патент США № 3835559). Такой конструктивный прием был использован при устройстве покрытий над стадионами в городах Понтиак и Сиракьюс (рис. 4), США. Поднятие опорного кольца до уровня карниза перекрываемого здания или расположение его на земляной насыпи позволило найти такое соотношение высотных отметок, когда пологая оболочка, лишенная по какой-либо аварийной причине подпора воздуха, не опускается до пола, образуя висячую мембрану. Это был важный элемент безопасной эксплуатации пневматического сооружения, поскольку вопрос о последствиях опускания оболочки возникал на всех стадиях проектирования и эксплуатации. Кстати, правильность такого мероприятия подтвердил случай, произошедший во время бури в августе 1976 г. с крупнейшей в мире воздухоопорной оболочкой стадиона в Понтиаке. Порванная оболочка, лишась подпора воздуха, превратилась в висячую конструкцию без каких бы то ни было неприятных последствий.

Первая большепролетная пологая оболочка была смонтирована в 1969 г. на ЭКСПО-70. Она перекрыла площадь 78,1X132,8 м при высоте подъема 7 м (f/l=9 %). На основе этого здания был разработан новый тип большепролетного воздухоопорного сооружения со следующими отличительными чертами:

  • малая относительная высота (10—15 %);
  • ромбическое расположение стальных канатов с шагом 10—12 м, идущих параллельно диагонали прямоугольника, который описан вокруг контура опорного кольца;
  • материал оболочки — стеклоткань, покрытая тефлоном, с ожидаемым сроком службы 20—30 лет;
  • наличие опорного кольца, приподнятого над полом.
Такое покрытие легче покрытий из железобетона, стали и дерева примерно в 10 раз, что соответственно облегчает стены и фундаменты. По оценкам американских экономистов стоимость этих покрытий составляет примерно 50 % стоимости покрытий из традиционных материалов. В течение 1974—1980 гг. в ряде стран оболочками этой системы, рассчитанными на длительные сроки службы, был перекрыт ряд спортивных сооружений (вплоть до полноразмерных стадионов).

Энергетические проблемы

Теплотехнические показатели оболочек воздухоопорных зданий очень невысоки. Коэффициент теплопроводности однослойной оболочки K?6 Вт/(м2·К). Это значит, что через оболочку сооружения размером 36x18x9 м (площадь боковой поверхности 880 м2) при перепаде температур 40°С проходит тепловой поток мощностью около 200 кВт.

Существенное, до двукратного, снижение теплопотерь достигается устройством двухслойной оболочки или утеплением ее слоем поролона толщиной 7—8 мм, что снижает величину К до 3 Вт/(м2·К).

До недавнего времени существовала проблема: что выгоднее экономически — устраивать второй слой оболочки или интенсивнее ее обогревать? С наступлением энергетического кризиса задача была решена сама собой и однозначно: проявилась четкая тенденция к использованию двухслойных оболочек. Эта тенденция быстро реализовалась на практике, и сейчас ряд зарубежных фирм выпускают двухслойные оболочки с К=2,5—4 Вт/(м2·К).

Они состоят из внешней несущей оболочки и свободно подвешенной к ней внутренней. Давление воздуха в помещении и в межоболочечном пространстве одинаково. Это позволяет не только снять ряд требований (и в первую очередь — прочности) с материала внутренней оболочки, но и оборудовать ее дополнительными средствами теплоотражения, звукопоглощения, цветового оформления интерьера и др.

Внутреннюю оболочку выполняют из недорогого, легкого материала, прикрепляемого к материалу внешней оболочки в отдельных точках, при этом оставляют минимальный просвет 100—150 мм. Стоимость оболочки при использовании второго слоя возрастает на 30 %, но расходы на отопление сокращаются вдвое. Подобная оболочка, изготовленная финской фирмой «Рукка», установлена над теннисным кортом московского плавательного бассейна «Чайка».

Ограждающие конструкции (стены, кровли) зданий из камня, бетона и дерева обладают высоким термическим сопротивлением, обеспечивающим оптимальный баланс расхода тепла и его поступления от обогревательных устройств. Это же свойство ограждений предотвращает нагревание воздуха в помещении в результате теплового действия инсоляции.

Тонкие оболочки пневматических сооружений не в состоянии обеспечить такой же уровень термического сопротивления. Поэтому их тепловой режим должен строиться на совершенно других принципах.

Громадные поверхности оболочек воздухоопорных сооружений подвергаются солнечной радиации, с которой связаны три задачи эксплуатации: отопление, охлаждение и естественное освещение помещений под оболочкой. Эти задачи, в свою очередь, связаны с такими свойствами материалов оболочек, как отражение, поглощение и пропускание солнечной энергии, характеризуемыми соответствующими коэффициентами, показывающими, какая доля солнечной энергии отражается оболочкой, поглощается ею или проникает сквозь нее.

Свойства обычных материалов оболочек в зависимости от цвета их поверхности колеблются в довольно широких пределах: коэффициент отражения — от 10 до 70 %; коэффициент поглощения — от 35 до 90 %; коэффициент пропускания — от 5 до 20 %.

Зимнее солнце слабо нагревает воздух под оболочкой, летом, наоборот, солнце перегревает его на 5—10°С по сравнению с наружным, порой до уровня заметного снижения комфорта. Поэтому предпочтение отдается материалам светлым, с высокой отражающей способностью.

Двухслойные оболочки позволяют более активно пользоваться энергией солнца. Делая наружную оболочку светопроницаемой, а внутреннюю — поглощающей, можно межоболочечное пространство превратить в своего рода «горячий ящик» и использовать энергию нагретого воздуха либо для отопления, либо для охлаждения воздуха под оболочкой.

Трехслойные оболочки с пневматически управляемым средним слоем открывают еще более широкие возможности регулирования микроклимата укрываемых помещений и использования солнечной энергии.

Рис. 5. Схема двухслойной воздухоопорной оболочки
Рис. 5. Схема двухслойной воздухоопорной оболочки
Известен ряд проектов пневматических оболочек больших пролетов, авторы которых пытаются реализовать возможность использования солнечной энергии для создания и регулирования заданного микроклимата под оболочкой. Назовем два из них, отличающихся наиболее детальной проработкой и теоретической обоснованностью.

Оболочка в Джексонвилле (Флорида, США) представляет собой ряд «солнечных ячеек» со светопроницаемой двойной верхней мембраной и одинарной нижней, поглощающей и хорошо изолированной от внутреннего пространства (рис. 5). Оболочка перекрывает площадь более 40 000 м2, примыкающую к длинному капитальному зданию, где расположены административные помещения, выставочный зал и ботанический сад. Оболочка служит солнечным коллектором; нагреваемый в нем воздух используется для дополнительного обогрева помещения или для понижения температуры воздуха в помещении, проходя цикл кондиционирования, включающего отбор тепла охлаждаемой в градирне водой [5].

Рис. 6. Двухслойное воздухоопорное покрытие над группой административных зданий
Рис. 6. Двухслойное воздухоопорное покрытие над группой административных зданий
Трехслойная оболочка в Денвере, Колорадо (США) перекрывает площадь 121X305 м, на которой расположены двух- и трехэтажные учрежденческие здания (рис. 6). Верхняя и средняя мембраны сделаны наполовину отражающими, наполовину светопроницаемыми; нижняя полностью светопроницаема. Средняя мембрана сделана подвижной, чтобы приспосабливаться к сезонным изменениям погоды. Будучи пневматически управляемой, средняя мембрана, прижимаясь к верхней, образует полностью отражающую поверхность, исключая инсоляцию помещения летом. При опускании средней мембраны лучи низко стоящего солнца беспрепятственно проникают в помещение. Функций кондиционирования оболочка не выполняет.

Проблемы надежности и безопасности

Пневматические здания воздухоопорного типа — наиболее безопасные из всех строительных сооружений. Их «обрушение» невозможно. В самом худшем случае — при полном прекращении подачи воздуха — оболочка очень медленно (в течение десятков минут) опускается на пол. Такие здания идеально сейсмостойки.

В то же время пневматические сооружения самые ненадежные в том смысле, что их устойчивость, незыблемость являются функцией не только прочности несущих и ограждающих конструкций (которые оболочка в себе совмещает), но и непрерывности воздухоподачи в нужных объемах и на нужном уровне давления.

Расчеты показывают, что поддутая в должной степени и надежно закрепленная по контуру оболочка не может быть разорвана даже ураганным ветром. Тем не менее именно с действием ветра чаще всего бывают связаны те аварии воздухоопорных оболочек, когда по тем или иным причинам избыточное давление воздуха под оболочкой падало ниже расчетного. Этими причинами могут быть:

  • прекращение подачи электроэнергии;
  • выход из строя вентиляторной установки;
  • разгерметизация оболочки вследствие выдергивания анкеров из грунта, опрокидывания каркасов шлюзов, вентиляторов или шкафов управления, отрыва мягких воздуховодов от патрубков оболочки или от диффузоров вентиляторов, прорывов оболочки близко расположенными острыми выступами оборудования или хранимого имущества и др.
Поэтому при рассмотрении вопросов взаимодействия оболочки и ветра, которые решаются путем расчета или моделирования, считают, что надежность энергоснабжения и устойчивость работы вентиляторов являются столь важными задачами, что ошибочное или даже небрежное отношение к ним может привести к печальному результату — разрушению оболочки ветром.

На первых порах освоения пневматических сооружений, в период их широкой пропаганды, считалось, что функционирование оболочки может обеспечить один обычный промышленный вентилятор. Вскоре практика эксплуатации показала, что это не так.

Рис. 7. Воздухоопорное сооружение размером в плане 103x40 м
Рис. 7. Воздухоопорное сооружение размером в плане 103x40 м
Современное воздухоопорное здание должно быть укомплектовано довольно сложной, автоматически действующей системой обеспечения непрерывной подачи воздуха (рис. 7). Многолетнее устойчивое функционирование лучших образцов пневматических сооружений, снабженных надежной системой включения дублирующих вентиляторов или резервных генераторов тока, наглядным образом подтверждают справедливость этого требования.

Непрерывная и интенсивная подача воздуха под оболочку резервными вентиляторами является к тому же важнейшим противопожарным фактором. Во-первых, воздух, вырывающийся наружу через прогоревшее отверстие, охлаждает его края и не позволяет огню распространяться по периметру дыры. Во-вторых, чем интенсивнее приток воздуха под оболочку, который возмещает потери его через прогоревшие отверстия, тем продолжительнее время функционирования сооружения, необходимое для эвакуации людей и имущества. Поэтому очень важно, чтобы пожар в помещении не сопровождался прекращением подачи воздуха под оболочку. Нужно, чтобы вентиляторы работали не только как можно дольше, но и как можно производительнее, компенсируя утечки воздуха через прогоревшие дыры или открытые из-за пожара дверные проемы.

Некоторая неопределенность в отношении пожарной опасности является одним из факторов, сдерживающих широкое распространение воздухоопорных зданий. Они во многом заметно отличаются от традиционных сооружений — их оболочка чрезвычайно тонка, функционирование связано с непрерывным снабжением внутреннего объема помещения воздухом повышенного давления. Привычные критерии пожарной безопасности зданий здесь неприменимы. Непригодны и обычные понятия — «группа возгораемости» (несгораемые, трудносгораемые, сгораемые), «предел огнестойкости» (в часах), «степень огнестойкости». Очевидно, трудно понять, что и сам пожар в воздухоопорном здании, и его последствия совершенно несопоставимы с пожаром в традиционном смысле. Невозможно и оценить их одинаковыми объективными показателями. Ввиду этого представляют большой интерес натурные эксперименты, имитирующие пожар под оболочкой. Они проводились во многих странах, и их результаты позволяют сделать некоторые заключения.

Огневые испытания показывают, что тонкая оболочка почти независимо от степени возгораемости ее материала довольно быстро прогорает при горении имущества в помещении, а при достаточно больших размерах прогоревших дыр опускается на пол. Поэтому основные меры противопожарной профилактики должны быть направлены на предотвращение возможности прогорания больших отверстий и на увеличение продолжительности времени опускания оболочки на пол.

Следует отметить такие положительные особенности воздухоопорных оболочек, как немедленное обнаружение их возгорания, способность восходящего потока горячих газов поддерживать оболочку, простота эвакуации, связанная с однозтажностью здания и с непосредственной близостью безопасных площадей. При горении самой оболочки значительного количества тепла не выделяется, гораздо опаснее горючее имущество под оболочкой. По своим последствиям и по количеству выделяемого тепла пожар в пневматическом сооружении не идет ни в какое сравнение с пожаром, например, в деревянном павильоне.

Несгораемые материалы не имеют явных преимуществ перед трудносгораемыми, так как при малой толщине оболочки все равно прогорают, допуская дальнейшую утечку воздуха. Однако применение трудносгораемых материалов для оболочек во всех случаях предпочтительнее, поскольку есть уверенность в том, что размеры прогоревших дыр будут оставаться небольшими.

Проблема пожарной защиты воздухоопорных зданий еще далека от полного разрешения. Предстоит дать ответ на ряд вопросов: классификация с позиций пожарной опасности функций пневматических сооружений, установление нормативов их площади в зависимости от назначения, нормирование численности людей, одновременно находящихся в здании, и др. В основе опытно-теоретического исследования должно лежать построение модели пожара, учитывающей все временные факторы, связанные со свойствами материалов, характеристиками вентиляторных установок, особенностями горючей «начинки» помещения и др. Необходимо проведение серии тщательно продуманных натурных экспериментов при разнообразных параметрах сооружений и пожара.

Теория мягких оболочек и практические методы расчета

Наибольший интерес для практики проектирования пневматических строительных конструкций представляют в конечном счете следующие три задачи теории мягких оболочек: нахождение оптимальной формы оболочки; определение перемещений оболочки под действием нагрузок; установление картины распределения усилий по поверхности оболочки.

Произвольно выкроенная мягкая оболочка принимает такую форму, которая при данном сочетании нагрузок исключает возможность возникновения в ней сжимающих усилий, оставляя в действии лишь растягивающие, до нулевых включительно. Формальным признаком оптимальной формы оболочки может служить состояние равнонапряженности во всех направлениях на всей ее поверхности. Как известно, таким свойством обладает мыльная пленка, поверхность которой описывается дифференциальным уравнением в частных производных.

Интегрирование этого уравнения при заданных граничных условиях выполняется одним из численных методов, основанных на дискретизации задачи, например после превращения уравнения в конечно-разностное. Полагая, что основной и постоянной нагрузкой для воздухоопорных оболочек является внутреннее давление воздуха, можно считать, что найденная при этой нагрузке форма оболочки и будет оптимальной, так как условие равнонапряженности полностью соблюдено. Однако при появлении любых других нагрузок оно нарушается. Действие временных нагрузок (ветер, снег) может вызвать либо появление морщин и складок (с чем обычно мирятся в силу их «временности»), либо повышение растягивающих усилий до уровня расчетных сопротивлений.

Рис. 8. Примеры пневматических оболочек типа параллелепипедов
Рис. 8. Примеры пневматических оболочек типа параллелепипедов
Идеальная форма мыльной пленки при проектировании оболочек почти никогда полностью не реализуется. Стремление к лучшему использованию объема (например, углы оболочки в виде мыльной пленки всегда несколько приплюснуты, образуя «мертвое пространство» в помещении) и более рациональному раскрою полотнищ, а также архитектурные соображения, как правило, приводят к отходу от форм мыльной пленки (рис. 8). Эти отклонения, однако, не должны приводить ни к перенапряжению, ни к складкообразованию. Формы, подсказанные мыльной пленкой, идеальны лишь для одного вида нагрузки — внутреннего давления воздуха. Поэтому мыльную пленку можно рассматривать лишь как первое приближение к правильной форме оболочки. Учет реальных условий ее работы, создаваемых действием внешних нагрузок и отходом от идеальной геометрии, требует анализа напряженно-деформированного состояния оболочки скорректированной формы.

Задаче нахождения форм оболочек посвящен ряд работ, в том числе и тех, которые публикуются в настоящем сборнике.

Под действием нагрузки форма оболочки изменяется. Каждая точка ее поверхности перемещается. Перемещения правильно скроенной оболочки2 могут быть следствием двух причин. Первая — упругие или пластические удлинения материала (деформации). Вторая — изменение геометрии оболочки как результат потери устойчивости (т. е. возникновения нового равновесного состояния) при приложении внешних нагрузок.

Раздельное рассмотрение двух причин перемещения оболочки следует считать условным. Однако, учитывая относительную малость перемещений, связанных с первой причиной, ею при практических расчетах пневматических строительных оболочек часто пренебрегают, уделяя основное внимание перемещениям кинематического характера. Эти перемещения, являясь специфичными для пневматических конструкций, представляют особый интерес в связи со следующими соображениями.

Во-первых, перемещения оболочки, т. е. изменения ее формы под действием внешних нагрузок, влияют на интенсивность и характер этих нагрузок. Поэтому формоизменения оболочки и изменения нагрузки (например, снеговой или ветровой) развиваются как взаимозависимый процесс. Во-вторых, статистика аварий воздухоопорных сооружений свидетельствует о том, что часто их причиной был контакт оболочки с жесткими предметами, находящимися в помещении. Поэтому определение пределов возможных перемещений оболочек, особенно в динамическом режиме их работы при действии ветра, имеет особый практический смысл.

Основы общей теории мягких оболочек в классической математической постановке были заложены проф. С. А. Алексеевым в работе [6], где он сформулировал три основные ее задачи. Теории мягких осесимметричных оболочек посвящена другая его работа [7].

Построение общей теории мягких оболочек — проблема весьма сложная. Несмотря на наличие такого упрощающего основные уравнения равновесия фактора, как абсолютная безмоментность, изменения геометрии оболочки под действием нагрузки существенно усложняют проблему. Прямое использование уравнений классической безмоментной теории оболочек оказалось возможным только для решения немногих частных задач — оболочек вращения с осесимметричным нагружением и длинных цилиндрических оболочек, загруженных вдоль образующей (плоская задача).

Задачи общей теории мягких оболочек применительно к пневматическим строительным конструкциям детально разрабатывались и другими исследователями — А. С. Григорьевым, Дж. Леонардом, П. Глокнером, Н. Сриваставой и др. Несмотря на то, что считалось, что задачи решаются в нелинейной постановке, нелинейность понималась лишь в физическом смысле, но не в геометрическом. Большой вклад в теорию мягких оболочек сделал проф. В. Э. Магула. Результаты его обширных теоретических изысканий изложены в монографии [8] и многих статьях, посвященных в основном мягким судовым конструкциям [9].

Строгая постановка задачи об определении напряженно деформированного состояния мягкой оболочки сталкивается с необходимостью учета нелинейных связей между усилиями и деформациями, с одной стороны, и деформациями и перемещениями — с другой. Эти нелинейности — физическая и геометрическая — приводят к сложной системе дифференциальных уравнений равновесия в частных производных, интегрирование которых, даже численными методами с применением ЭВМ, сопровождается многими трудностями.

Пневматическим строительным конструкциям свойственны сравнительно малые деформации в рабочих диапазонах усилий, но они испытывают большие перемещения, соизмеримые с размерами самих оболочек. Поэтому учет геометрической нелинейности является для теории мягких оболочек задачей более важной, нежели принятие во внимание нелинейности физической. К сожалению, эта задача одновременно и более сложная. «Барьер геометрической нелинейности» общей математической теорией мягких оболочек еще не преодолен.

Поэтому вполне естественны многочисленные попытки ряда исследователей освободиться в какой-то мере от некоторых расчетных зависимостей с целью упрощения расчетной процедуры, снижения расхода машинного времени ЭВМ и объема ее памяти.

Строительная практика сталкивается, как правило, с геометрически сложными оболочками, составленными из разнородных поверхностей, и с разнообразными контурными закреплениями. Нагрузки встречаются односторонние (снег), несимметричные (ветер), сосредоточенные (оборудование, оттяжки). Поэтому не только на первых порах освоения пневматических конструкций, но и в настоящее время проектировщики (а порой и теоретики, если им приходится решать практические задачи) пользуются уравнениями безмоментной линейной теории оболочек, вводя ряд допущений, Упрощений и пренебрегая некоторыми обстоятельствами.

Такую теорию оболочек обычно называют элементарной, вкладывая в это понятие не только отсутствие аппарата высшей математики, но и введение серии упрощений. Элементарная теория допускает расчленение оболочки на ряд разнородных сопряженных поверхностей, причем условиями совместности деформаций и напряжений на границах сопряжения часто пренебрегают, надеясь на выравнивание последних за счет некоторой вытяжки материала, т. е. своего рода «самокорректировки» геометрии оболочки. Материал считается либо недеформируемым, либо нерастяжимым, что соответствует гипотезам I и II о свойствах материалов, приведенным в табл. 2, где эти свойства расположены в порядке от наибольшей идеализации (гипотеза I) к наибольшей реальности (гипотеза V).

Рис. 9. Усилия в полуцилиндрической оболочке со сферическим окончанием
Рис. 9. Усилия в полуцилиндрической оболочке со сферическим окончанием
Первый ощутимый результат расчета по технической теории был получен в работе [16], правда, только для наиболее простого случая загружения (избыточного давления воздуха) полуцилиндрической оболочки со сферическими окончаниями (рис. 9). Это решение интересно тем, что оно пролило свет на характер поля напряжений вдоль стыка цилиндрической части оболочки со сферической и по опорному контуру. Однако оказалось, что значения максимальных усилий мало отличаются от значений, найденных с помощью формул элементарной теории. Расчет на нагрузки, вызывающие не только деформации, но и перемещения, оказался более сложным. Односторонняя снеговая нагрузка или ветровое давление приводят к возникновению зон одноосного напряжения и, как следствие, — к необходимости перестройки алгоритма и программы.

Трудности, порой непреодолимые, математического анализа поведения пневматической конструкций под нагрузкой заставляют использовать некоторые допущения, упрощающие расчет. Правомерность их обосновывается в каждом отдельном случае в соответствии с конкретными условиями работы рассматриваемой конструкции. Наиболее существенные упрощения, как уже отмечалось, достигаются при идеализации физических свойств материалов оболочек.

Другие допущения касаются нагрузок, в первую очередь ветровых. Известно, что картина распределения ветрового давления по поверхности оболочки, связанной с основанием, аналитического выражения не имеет, хотя первая попытка решения этой задачи применительно к цилиндрической пневматической оболочке воздухоопорного типа была предпринята сотрудниками университета в Киото [17]. Поэтому при расчетах пользуются данными продувок в аэродинамической трубе, которые зависят не только от формы оболочки, но и от многих других факторов — ситуации, гладкости поверхности оболочки и (это особенность воздухоопорных оболочек) от соотношения ?=p/q (где р — внутреннее давление воздуха под оболочкой, q — скоростной напор). Все это придает результатам аэродинамических продувок весьма индивидуальный характер, тем более что от значения ? зависит не только интенсивность ветрового давления, но и его направление, поскольку оно всегда нормально к поверхности, а поверхность перемещается и изменяет свою форму тем заметнее, чем меньше ?.

Более или менее обобщенную эпюру распределения ветрового давления иногда пытаются представить эмпирическими формулами, причем достижение лучшей аппроксимации приобретается ценой растущей громоздкости формул. Обратный процесс — упрощение эпюры давления ветра — и есть следующий этап в серии допущений, направленных на облегчение математических выкладок. Сложная эпюра ветрового давления заменяется более простой, представляемой двух- и одночленными тригонометрическими формулами или даже ступенчатой эпюрой. Анализируя напряженно деформированное состояние цилиндрической оболочки под действием ветра, Э. У. Росс [18] установил, что на конечном результате расчета максимальных усилий в оболочке упрощение картины распределения ветрового давления отражается мало, чего нельзя сказать о перемещениях.

Некоторое упрощение расчета может быть достигнуто путем замены вертикального направления действия снеговой нагрузки на нормальное к поверхности оболочки. Учитывая тот факт, что основная масса снега отлагается лишь на «макушке» купола или свода, где угол между вертикалью и нормалью невелик, а также то, что интенсивность снегового покрова резко уменьшается с удалением от вершины, тацюе упрощение может быть допущено.

Наконец, следует отметить еще одно допущение, о котором умалчивают обычно все без исключения теории. Это — пренебрежение ужесточающим действием заводских и монтажных швов, которые оказывают весьма существенное влияние на форму оболочки, испытывающей избыточное давление воздуха. Швы придают оболочке дополнительные свойства своего рода «конструктивной ор-тотропии». Например, меридионально скроенная сферическая оболочка из-за ужесточающего влияния швов деформируется в широтном направлении заметнее, чем в меридиональном, приобретая вид геоида даже тогда, когда модули деформации материала в обоих направлениях одинаковы. По этой же причине горизонтальные (широтные) сечения оболочки приобретают некоторую гофрированность. Представляя собой элементы местного усиления оболочки, швы могут сыграть отрицательную роль концентраторов напряжений в материале.

Перед проектировщиками, сотрудниками КБ заводов-изготови-телей, конструкторами и другими специалистами, выполняющими проектирование пневматических конструкций, в первую очередь возникает вопрос о выборе материала мягкой оболочки исходя из требуемой прочности. В конечном счете проектировщиков интересуют величины максимальных растягивающих усилий, развивающихся в оболочке под действием наивыгоднейшей комбинации расчетных нагрузок.

Что касается сооружений рядовых, т. е. воздухоопорных оболочек сферической или цилиндрической формы сравнительно, небольших пролетов (до 50 м), то для их расчета нормы проектирования многих стран, равно как и отдельные авторы, рекомендуют простые формулы вида



где T — погонное усилие в оболочке но каждому из главных направлений; р — избыточное давление воздуха под оболочкой; q — скоростной напор ветра; ?, ? коэффициенты, значения которых устанавливаются методами элементарной или какой-либо другой уточненной теории.

Усилия, найденные по формуле (1), являются наибольшими из всех действующих по площади оболочки и должны представлять собой своего рода огибающую поверхность поля усилий, определенного другими, более точными методами. Такой же вид имеют эмпирические формулы усилий на контуре оболочек, на которые рассчитываются анкерные устройства. В табл. 3 и 4 приведены значения коэффициентов ? максимальных усилий в оболочках, принятые нормами некоторых стран6.

Рис. 10. Усилия в оболочке от действия внутреннего давления воздуха и напора ветра
Рис. 10. Усилия в оболочке от действия внутреннего давления воздуха и напора ветра
На рис. 10 дано сравнение усилий в полуцилиндрической оболочке со сферическими окончаниями (рис. 11) от совместного действия внутреннего давления и ветра, определенных методом конечных элементов [19] и, для сравнения, по нормам ФРГ [20]. Обращает на себя внимание «всплеск» меридиональных усилий на стыке сферического и цилиндрического участков оболочки, зафиксированный расчетом по МКЭ. Элементарная теория обнаружить это, естественно, была не в состоянии.

Завершая рассмотрение существующих методов расчета пневматических оболочек и путей их развития, необходимо остановиться на двух общих вопросах: точность расчета и форма постановки задачи о прочности оболочки.

Рис. 11. Схема полуцилиндрической оболочки к рис. 10 и табл. 3 и 4.
Рис. 11. Схема полуцилиндрической оболочки к рис. 10 и табл. 3 и 4.
1. После принятия любого из перечисленных выше допущений теряется формальное право считать результаты расчета точными. Каждое допущение как бы снижает на одну ступень точность расчета. Однако понятие «точный расчет», как всегда, проблематично или по крайней мере относительно. Поэтому каждый отказ от упрощения или допущения есть шаг к достижению истины. Но поскольку абсолютной истины, как и абсолютно точных расчетов, не существует, то за относительную истину часто берут результаты приближенных расчетов по элементарной теории. Сравнивая с ними результаты своих уточненных расчетов, исследователь обычно дает понять, на сколько процентов ошибается элементарная теория, но не может подсчитать, на сколько процентов неверен его результат по сравнению с точным расчетом, коль скоро таковой отсутствует.

Уместно поставить практический вопрос о «достаточной» точности расчета. Классическим критерием точности служит сходимость с результатами эксперимента. Но последний не всегда осуществим и не всегда убедителен.

Мерилом степени «разумной точности» расчета может служить точность входящих в расчет параметров (например, физические константы материала, величина и характер нагрузок), выше которой точность расчета становится бессмысленной. Поэтому, если отбросить интересы «чистой» теории, то уровень решения должен соответствовать уровню задания.

2. Вопрос о форме постановки задачи о прочности оболочки, О внутреннем смысле этой задачи, более сложен.

В той или иной мере теория позволяет найти место (или места) наибольших усилий в оболочке и определить их величину. Учитывая, что толщина материала оболочки постоянна, а следовательно, неизменна и прочность по всей ее поверхности, можно ожидать, что места наибольших усилий и явятся теми местами, где наиболее вероятен разрыв оболочки.

Однако изучение многочисленных аварий воздухоопорных сооружений показывает, что формой их разрушения является не разрыв оболочки, как следовало бы ожидать, а ее раздир. При этом место начала раздира, как правило, не совпадает ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий, найденных в результате расчета.

Все это говорит о том, что «модель разрушения» оболочки, базирующаяся на ожидании ее разрыва в месте максимального натяжения, не соответствует действительности. Вероятно, эта модель должна быть построена в более полном соответствии с фактической картиной разрушения оболочки ветровым воздействием.

Местами, откуда обычно начинается раздир оболочки, бывают: опорный контур, линии сопряжения с жесткими конструкциями (каркасами шлюзов, примыкающими сооружениями и т. п.), места резкого нарушения плавности поверхности, разнообразные вырезы (особенно незакругленные), рабочие и монтажные швы. Причинами первичного раздира могут быть также ошибки, допущенные при проектировании, раскрое, изготовлении и монтаже оболочек. Зачастую раздиром завершается порез или прокол оболочки острыми предметами, находящимися внутри помещений, с которыми она соприкасается при колебаниях под действием ветра.

Короче говоря, разрушение оболочки происходит по причинам, не учитываемым при разработке методов расчета. От разрушения ее спасают высокие коэффициенты запаса (отношение кратковременной прочности к расчетному сопротивлению или допускаемому напряжению), приведенные в табл. 5.

Рис. 12. Рекордные пролеты оболочек воздухоопорного типа
Рис. 12. Рекордные пролеты оболочек воздухоопорного типа
Пролеты пневматических сооружений были ограничены прочностью материалов оболочек лишь до тех пор, пока не появились воздухоопорные конструкции, усиленные канатами и сетями. Тогда основные усилия, которые воспринимали сами оболочки из тканей или пленок, оказалось возможным передать тросам, несущая способность которых практически неограничена. Результаты не замедлили сказаться. На рис. 12 показан непрерывный рост пролетов оболочек, усиленных канатами, на фоне стабилизировавшихся размеров оболочек без усиления, достигших, очевидно, своего экономически рационального предела 50—70 м. Пролет 168 м оболочек, усиленных канатами, на сегодня рекордный, но далеко не предельный. Разработано много проектов оболочек гораздо больших пролетов. Наиболее грандиозным и в то же время солидно обоснованным выглядит получивший широкую известность проект оболочки над городом в Арктике, выполненный интернациональной бригадой под руководством проф. Ф. Отто (ФРГ). Город на 20 тыс. жителей располагается под светопроницаемым куполом диаметром 2 км и высотой 240 м. Силовой основой оболочки служат канаты диаметром 270 мм из полиэфирного волокна с гарантированным сроком службы 100 лет. Двухслойная оболочка поддерживается избыточным давлением воздуха всего лишь 250 Па. Современное состояние химии полимеров и технологии позволяет считать этот проект осуществимым в наши дни.

Говоря о больших (или сверхбольших) пролетах, приходится различать две стороны этой задачи — техническую возможность и экономическую целесообразность. Есть ли смысл перекрывать единым пролетом в несколько сотен метров столь большой объект, как, например город или агропромышленный комплекс?

Ведь эта задача может быть решена и по-другому, более экономично, если использовать оттяжки, заанкеренные в грунт. Редко расположенные (например, через 100 м) оттяжки не будут существенной помехой ни в том, ни в другом случае. Таким образом можно перекрывать площади неограниченных размеров.

Градостроительство

Рис. 13. Изоляция подоболочечного пространства от окружающей среды
Рис. 13. Изоляция подоболочечного пространства от окружающей среды
Пневматические оболочки, по своей природе воздухонепроницаемые, изолируют перекрываемое пространство от окружающей атмосферы (рис. 13). Когда оболочки становятся столь большими, что под ними можно расположить целый город, то он оказывается защищенным от атмосферных воздействий — ветра, осадков, колебаний температуры и ее коварных переходов через нуль. Инсоляция становится контролируемой и даже регулируемой. Полное исключение одних и смягчение других факторов позволяют существенно облегчить и удешевить ограждающие и несущие конструкции зданий, стоящих под оболочкой.

Воздухоопорная оболочка громадных размеров перестает быть зданием. Она перерастает масштабы моноструктуры и становится своего рода диафрагмой, отделяющей пространство с естественным климатом от пространства с искусственным климатом. Она отделяет от внешней среды уже не человека, как это делает дом, а поселение человека, его дома. И поэтому к домам, укрытым оболочкой, не приходится предъявлять привычные и кажущиеся вечными и незыблемыми требования теплоизоляции, непротекаемости и непромерзаемости. Остаются требования только звукоизоляции. Кровли, которые не будут знать ни ливней, ни снегопадов, станут совсем другими, утратив функции гидроизоляции и водоотвода. Несущая конструкция здания, его остов, освобожденный от ветровых и снеговых нагрузок, станет предельно легким.

Дождевые и талые воды, стекающие не с грязного асфальта дорог и тротуаров, а с чистой оболочки, можно будет разумно использовать, облегчая решение назревающей проблемы нехватки пресной воды7. Ливневая канализация становится ненужной. Исключаются расходы на очистку улиц от снега, а они не так уж малы. Например, в Москве каждую зиму снегоуборкой заняты около 1500 автомобилей; только транспортные расходы достигают 5—6 млн. руб. в год.

Воздух под куполом можно будет обеспыливать, увлажнять или осушать, охлаждать или подогревать. Промышленный дым не сможет попадать в легкие горожан, явление «смога» исключается8. Отопление города становится более экономичным, поскольку суммарная теплоотдающая поверхность отапливаемых зданий превышает площадь теплоотдачи оболочки примерно в 50 раз. Общие потери тепла, по данным Р. Б. Фуллера, сокращаются в 10 раз.

Изучение теплотехнических аспектов проблемы укрытия городов воздухоопорными оболочками вызывает у исследователей интересную ассоциацию. Если жаровня в гондоле монгольфьера, подогревая воздух в шаре, придавала ему нужную подъемную силу, то не будет ли воздух, подогреваемый всеми домами города, тоже обладать подъемной силой, достаточной для того, чтобы поддерживать оболочку, их покрывающую? Не суть ли наши города — гигантские жаровни, где каждый дом — уголек, подогревающий окружающий воздух? Может быть, покрывая город пленкой, можно будет по крайней мере зимой обойтись без воздухонагнетательных установок? Может быть, возможно при этом держать въезды под оболочку постоянно открытыми, не заботясь о шлюзовании?

Сельское хозяйство

Возможность перекрытия воздухоопорными оболочками крупных агропромышленных угодий открывает захватывающие перспективы развития сельского хозяйства нового типа.

Использование парникового эффекта, управление влаготермическим режимом средствами регулирования инсоляции и испарения влаги, создание искусственной атмосферы с благоприятным для растений химическим составом — все это может быть направлено на сокращение вегетационного периода сельскохозяйственных культур, получение нескольких урожаев в год, освоение аридных земель.

Канадские специалисты [29] на примере своих южных провинций, расположенных между 50 и 60° северной широты9, считают, что если ранней весной, еще до начала таяния, на поле установить оболочки, то пахота и сев могут быть начаты на 4—6 недель раньше благодаря ускорению таяния снега и оттаиванию грунта под оболочкой. Снятые после завершения посевной кампании оболочки могут быть снова установлены в конце лета для обеспечения дозревания урожая, а также для защиты уборочных работ от дождя и снега.

Возможность изменения химического состава атмосферы под оболочкой открывает пути получения не только частых, но и богатых урожаев. Советские ученые В. Ковда и В. Кунин [30] приводят данные, что масса растений, выращиваемых в среде, где насыщение углекислым газом в восемь раз превышает его содержание в атмосфере, увеличивается более чем в пять раз. Урожай сорго, например, вырос в три раза, а урожай риса составил 189 центнеров на гектар. При этом дешевым источником обогащения среды углекислым газом могут быть профильтрованные выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания.

С другой стороны, обеднение кислородом атмосферы под оболочкой малых размеров (хранилища) может превратиться в средство предотвращения порчи сельскохозяйственной продукции. Английские специалисты [31] установили, что если прекратить подачу воздуха в пневматическое хранилище, наполненное зерном, то вредители погибают от недостатка кислорода. При уменьшении воздухопроницаемости оболочки до 0,2 % становится возможным хранение в невентилируемых складах сырого зерна.

Свойство оболочки конденсировать на своей внутренней поверхности влагу позволяет развивать земледелие на бесплодных береговых песках южных морей (например, Каспийского). Для этого под оболочку подводится морская вода, которую солнце превращает в пресный конденсат. Экспериментальная проверка такой системы опреснения и выращивания овощей организована в арабском эмирате Абу-Даби на площади 2 га [32].

Перспективы создания искусственного климата не ограничиваются микроклиматом под оболочкой. Пневматические конструкции способны решать климатические задачи грандиозного масштаба.

Рис. 14. Строительство промышленного комплекса под оболочкой с оттяжками
Рис. 14. Строительство промышленного комплекса под оболочкой с оттяжками
Известно, что горы определяют климат прилегающих областей. Искусственные горы из пленок, наполненных воздухом, могли бы изменить климат местности. Японская фирма «Тайо Когио» предполагает в безводной пустыне Саудовской Аравии установить надувной горный хребет длиной 10 км и высотой 600 м, задерживающий влажные морские ветры. Поднимаясь по хребту, пар охлаждается, превращается в облака и проливается дождем на сухую землю.

Успешное завершение этого эксперимента делает возможным «исправление» климата целых областей сравнительно недорогими средствами — ведь горы будут состоять из воздуха!

Строительство

Рис. 15. Открытая разработка полезных ископаемых под оболочкой, усиленной канатами
Рис. 15. Открытая разработка полезных ископаемых под оболочкой, усиленной канатами
Сейчас нередки примеры использования пневматических оболочек в качестве строительных тепляков, под которыми выполняют не только отдельные виды строительных работ — бетонные, кровельные, сварку,— но и монтаж двух- и трехэтажных зданий. Недалек тот день, когда воздухоопорные оболочки смогут перекрыть не отдельные постройки, а строительно-монтажные площадки жилых, общественных или промышленных комплексов (рис. 14). Более того, оболочками могут быть закрыты и такие громадные площади, как районы открытых разработок полезных ископаемых (рис. 15). Это особенно необходимо в районах с суровым климатом, например в Заполярье. Под оболочкой всегда будет тепло, безветренно, сухо, не будет ни дождя, ни снега, ни распутицы. Люди смогут работать и жить независимо от сезона и погоды в любых географических районах.

Использование солнечной энергии

Будущее воздухоопорных зданий рисуется в неразрывной связи с использованием солнечной энергии. Принцип теплоизоляции, широко используемый в теплотехнике зданий с ограждающими конструкциями из традиционных материалов, для пневматических сооружений неприменим. Нет нужды соперничать с капитальными зданиями в создании эквивалентного термического сопротивления, когда оболочка воздухоопорного здания сама по себе представляет солнечный коллектор громадной площади.

При соответствующем расположении отдельных мембран, составляющих двух-, трех- или многослойную оболочку, ее можно превратить в низкотемпературную гелиоустановку типа «горячий ящик» площадью в несколько сотен квадратных метров, температура в котором может доходить до 80° С. В летний полдень на широте Москвы при безоблачном небе мощность теплового потока солнечной радиации равна 577 Вт/м2 [33]. Это значит, например, что на сферическую оболочку диаметром 30 м солнце изливает тепловой поток мощностью около 400 кВт.

Разработанные в настоящее время проекты пневматических сооружений, где в той или иной мере используется солнечная энергия, можно рассматривать не больше чем первые попытки реализации уникальных возможностей, предоставляемых оболочками для этой цели.

Успешное решение проблемы использования солнечной энергии в пневматических сооружениях в/значительной степени зависит от термооптических характеристик мембранных материалов. Можно ожидать, что значения коэффициентов отражения, поглощения и пропускания у материалов будущего смогут колебаться в очень широких пределах — от 5 до 90 %.

Рациональное комбинирование отражающих, пропускающих и поглощающих слоев, а тем более трансформация мембран в зависимости от высоты солнца или от сезона, управление ими с помощью опять-таки пневматики позволит существенно повысить КПД системы использования солнечной энергии.

Воздухоопорные здания будущего представляются в виде сооружений, которые в условиях высокой солнечной радиации смогут в значительной (если не в полной) мере обеспечить энергетические нужды здания — подачу воздуха и его кондиционирование, освещение и горячее водоснабжение — за счет энергии солнца. Решение проблемы аккумулирования солнечной энергии еще более расширит возможности воздухоопорных зданий как солнечных коллекторов и позволит расходовать ее ночью и в пасмурные дни.

Акванавтика и комонавтика

Стабильность формы пневматической конструкции обеспечивается некоторым превышением внутреннего давления над внешним, независимо от абсолютных величин давлений. Это свойство с успехом используют для создания подводных надувных сооружений, соблюдая принцип уравновешивания давлений, который лежит в основе устройства акваланга.

В 1964 г. Эдвин Линк (известный еще как изобретатель авиационного тренажера «кабина Линка», действующего на аэродинамическом принципе) погрузил в районе Багамских островов мягкий надувной подводный дом для двух акванавтов, пробывших в нем 49 ч на глубине 132 м. Первый в Европе подводный пневматический дом «Спрут» был испытан советскими акванавтами в 1967 г. [34]. В течение 14 суток он использовался под водой в качестве лаборатории. Модель оказалась удачной; ее модификации назывались «Спрут М» (1968) и «Спрут У» (1969). Так была доказана возможность замены тяжелых стальных подводных домов тканевыми оболочками.

Мягкие подводные сооружения допускают свободный выход акванавтов в воду для работы и возвращение в помещение без какой бы то ни было декомпрессионной процедуры, так как давление воздуха под оболочкой, в легочном автомате акваланга (на вдохе) и в легких человека одинаковы и равны давлению воды на любой доступной для акванавта глубине.

Рис. 16. Подводные пневматические сооружения
Рис. 16. Подводные пневматические сооружения
Подводные воздухоопорные здания могут быть сравнительно большими. Их размеры ограничивают только трудности противодействия всплытию. Наступающая эра интенсивного освоения океанского шельфа должна ознаменоваться широким использованием мягких оболочек для более или менее постоянной деятельности подводников (рис. 16).

Несколько иной представляется картина использования пневматических конструкций в космических исследованиях. Иной в том смысле, что если в подводной оболочке внутреннее давление должно быть достаточно высоким для того, чтобы противостоять давлению воды, то в условиях космического вакуума оно должно быть возможно низким, чтобы не перенапрягать оболочку (достаточно сказать, что даже при давлении дыхательной смеси, равном 80 % атмосферного, внутреннее давление на оболочку превышает в 100—200 раз обычное избыточное давление у «земных» воздухоопорных зданий).

Рис. 17. Пневматические сооружении на планете
Рис. 17. Пневматические сооружении на планете
Достаточно широко известен опыт применения очень тонких пленок для создания искусственных спутников серии «Эхо», наполняемых газом после выведения на орбиту. Однако, рассматривая объекты строительного характера, придется ограничиться конструкциями, предназначенными для обеспечения деятельности человека на Луне и других небесных телах, лишенных атмосферы. Давление дыхательной смеси, несколько пониженное по сравнению с атмосферным, все же вызывает в оболочке высокие напряжения и требует применения материалов очень высокой прочности, даже при сравнительно малых поперечных сечениях конструкций. В принципе эти трудности преодолимы, и будущие поселения человека на Луне, а также на планетах не обойдутся без пневматических сооружений (рис. 17).

Список литературы

  • 1. Engelbrecht R. М. New boom in building. — Popular Sciences, March 1973.
  • 2. Нардиии, Бруио. Жизнь Леонардо. М., Планета, 1978.
  • 3. Steel bubble roof is light, low cost and durable. — Engineering News—Record, 1979, v. 203, № 19.
  • 4. Kawaguchi М., Abe М., Takeyama Y. Metal-membrane tension structures. World Congress on shell and spatial structures. — Proceedings, vol. 4. Madrid, 1979.
  • 5. Study started on air-supported building roof that will use Sun to save energy.— Engineering News—Record, Oct. 23, 1975.
  • 6. Алексеев С. А. Основы общей теории мягких оболочек —В сб.: Расчет пространственных конструкций,‘ 1966, вып. XI.
  • 7. Алексеев С. А. Основы теории мягких осесимметричных оболочек.— В сб.: Расчет пространственных конструкций, 1965, вып. X.
  • 8. Магула В. Э. Судовые эластичные конструкции. Л., Судостроение, 1978.
  • 9. Магула В. Э. Основные зависимости теории мягких оболочек.— В сб.: Труды Николаевского кораблестроительного института, 1973, вып. 78.
  • 10. Временная инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации воздухоопорных пневматических сооружений. СН 497-77.
  • 11. Oden J. Т., Kubitza W. К. Numerical analysis of nonlinear pneumatic structures.— Proceedings of the 1-st International colloquium on pneumatic structures. Stuttgart, 1967, p. 87—107.
  • 12. Li C.-Т., Leonard J. W. Finite element analysis of inflatable shells. — Proc. Amer. Soc. Civil Engrs, 1973, vol. 99, No EM3, p. 495—514.
  • 13. Li C.-Т., Srivastava N. K. Analysis of pneumatic shells with or without cable net; general finite-element formulation. — Computers and Structures, vol. 4, August, 1974.
  • 14. Кислоокий В. H. Исследование статики и динамики висячих, пневмо-напряжеиных и комбинированных систем методом конечных элементов — Строительная механика и расчет сооружений, 1977, № 4.
  • 15. Усюкин В. И. Техническая теория мягких оболочек. Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук (МВТУ им. Н. Э. Баумана). М., 1971.
  • 16. Борсов Р. Г. Исследование напряженно деформированного состояния конструкций из мягких оболочек разностными методами. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук (МВТУ им. Н. Э. Баумана). М., 1976.
  • 17. Kunieda Н., Yokoyama Y., Arakawa М. Cylindrical pneumatic membrane structures subjected to wind. — Proc. Amer. Soc. Civil Engrs, 1981, vol. 107, No EM5, p. 851—867.
  • 18. Росс Э. У. Большие прогибы надувного цилиндрического покрытия.— В сб.: Труды Американского общества инженеров-механиков, 1969, № 4.
  • 19. Oelbermann J. Ausfuhrung und Berechnung von luftgetragenen Hallen nach der geplanten DIN 4134 und nach der Methode der Finiten Elemente. — In: E. Bubner et al. Membran-Konstruktionen. Teil 1. Koln—Braunsfeld, 1979.
  • 20. DIN 4134. Tragluftbauten; Berechnung, Ausl'iihrung und Betrieb. 1979.
  • 21. Draft for development. Air-supported Structures. British Standard Institution. 1976.
  • 22. Canadian Standards Association. Air-supported Structures. Third Draft. 1979.
  • 23. Draft for recommendations for air-supported structures, prepared for C. I. S. A. Italia, 1980.
  • 24. Japanese pneumatic structure design standard. 1970.
  • 25. TGL 10728/03. Traglufthallen. 1976.
  • 26. Minimum performance standard for single-wall air-supported structures. St. Paul, Minnesota. 1971.
  • 27. Квормби А. Архитектор и пластмассы. М., Стройиздат, 1978.
  • 28. Herzog, Thomas. Pneumatic structures. London, 1977.
  • 29. Glockner P. G., Malcolm D. J. The use of inflatables in agriculture and the exploration industry. — International Symposium on air supported structures. Venice, 1977.
  • 30. Ковда В., Кунин В. Контролируемая среда для освоения пустынь,— Природа, 1970, № 6.
  • 31. Farmbuildings, 1965, № 6.
  • 32. Hodges, Carl N. Greenhouses for desert horticulture. — Building Research, January/March, 1972.
  • 33. Руководство по строительной климатологии (пособие по проектированию). М., Стройиздат, 1977.
  • 34. Королев А. Б., Шабалин В. Н., Муравьев В. Б. Пневматические подводные дома и убежища.— В сб.: Некоторые результаты и перспективы применения подводных домов в морских исследованиях. М., Наука, 1973.

Примечания

1. Тканям из кевлара посвящена статья Д. Л. Г. Старджена и М. В. Уардла в настоящем сборнике.

2. Правильно скроенной оболочкой можно считать такую, в которой действие внутреннего давления воздуха (от нуля до расчетного уровня) не вызывает отрицательных усилий.

3. Нормативным документом СН 497-77 [10] предусмотрены следующие значения коэффициентов к нормативному сопротивлению материалов оболочек: Кдл=0,7 и Кст=0,5.

4. Термины «математическая», «техническая» и «элементарная» теории являются условными. Они не определяют точно суть теорий и их ие следует понимать буквально.

5. См. статью В. И. Усюкина в настоящем сборнике.

6. Отметим заметный разброс значений коэффициентов ?, рекомендуемых нормами разных стран. В настоящее время действующая в рамках ИАСС (Международная ассоциация по пространственным конструкциям) рабочая группа но пневматическим конструкциям (председатель проф. Й. Цубои, Япония) разрабатывает международные нормы, где эти коэффициенты будут унифицированы.

7. Решением Генеральной Ассамблеи ООН период с 1981 по 1990 годы объявлен «десятилетием питьевой воды».

8. Нерадостные перспективы дальнейшего загрязнения городов рисует фирма Хауз-Руккер, представившая на выставке «Укрытие — выживание в загрязненной среде» экспонат — жилой дом на одну семью, покрытый защитной оболочкой воздухоопорного типа: «Города погребены под пологом смога. Пыль, которую глотают горожане, может измеряться грузовиками. Улицы превратились в газовые камеры, реки — в вязкую отравленную бурду. Солнце превратилось в 40-ваттную лампочку... Несмотря на массовые кампании против загрязнения окружающей среды, непрерывность процесса и постоянное привыкание мешают инстинктивному стремлению предотвратить увеличивающуюся опасность. Смерть от окружающей среды не придет так внезапно, как от водородной бомбы, но финал такой же» [28].

9. Соответствует полосе европейской части СССР между широтами соответственно Харькова и Ленинграда.