Разновидности пневматических оболочек

   Пневматические строительные конструкции можно разделить на два типа:

воздухоопорные, как бы опирающиеся на воздух, заполняющий полезный объем здания и сжатый в очень небольшой степени (до тысячных долей атмосферы) достаточной лишь для того, чтобы противостоять действию внешних нагрузок без существенного изменения формы;

пневмокаркасные, сопротивление несущих элементов которых (стойки, балки, арки, панели) сжатию и изгибу обеспечивается сильно сжатым воздухом (от десятых долей для пневмопанелей до целых атмосфер для пневмостержней), заключенным в самих конструктивных элементах.

К воздухоопорным конструкциям следует отнести и такую их разновидность, как пневмолинзы (или пневмоподушки). Несмотря на то, что пневмолинзы не здания, а только их конструктивные элементы, покрытия, их нельзя отнести к воздухонесомым панелям, так как статическая работа линз полностью соответствует работе воздухоопорных конструкций.

Оболочки воздухоопорных зданий, как правило однослойные. Очень редко встречаются двухслойные, принципиально возможны и многослойные. Устойчивость двухслойных оболочек, не связанных между собой, обеспечивается разностью давлений воздуха для каждого слоя. Для внешней облочке, подверженной действию ветра и снега, эта разность больше, чем для внутренней, несущей только свою массу.
Воздухоопорные оболочки (в том числе линзы) часто имеют усиление в виде канатов (тросов, лент) или тросовых сетей. Это своего рода "мягкий каркас", назначение которого - принять на себя значительную часть растягивающих усилий. Мягкий каркас позволяет увеличить пролеты оболочек, не повышая требований к прочности материалов. Пневмостержневые конструкции могут быть линейными, проскими и пространственными. Простейший линейный элемент - прямой пневмостержень, который в зависимости от характера статической работы считается балкой или стойкой. При изломах оси пневмостержень образует раму, при искривлении - арку или кольцо (тор).
Ряд соединенных пневмобалок образует конструктивно-ортотропные плоские панели, на которых можно собирать складчатые покрытия. Пространственные пневмопанели (купола, своды, складки) можно формировать, соединяя линейные элементы - стойки, арки, рамы. Ряд торов образует цилиндрические сооружения башенного типа или купола - конические или шлемовидные. Две оболочки, соединенные множеством точечных связей, образуют пневмоматы. Именно эта система, "эйрмат", применялась для изготовления надувных самолетов.
Комбинированные пневматические сооружения обладают свойствами воздухоопорных и пневмокаркасных конструкций

Особенности воздухоопорных зданий и сооружений

   Воздухоопорные сооружения - строительные конструкции особого типа. В отличие от обычных конструкций, устойчивость которых обеспечивается жесткостью применяемых материалов, они требуют, помимо статических конструктивных элементов, еще и механизмов - воздухонагнетательных установок.
Воздухоопорное здание недостаточно изготовить и смонтировать. Оно существует как строительная конструкция, если работает система его жизнеобеспечения, постоянно или периодически снабжающая несущие элементы воздухом, сжатым до заданной степени.
Хотя в каждом современном здании имеются механизмы, без которых оно не может нормально функционировать (лифты, насосы центрального отопления, электроприборы и т.п.), воздухоопорные здания без воздухонагнетательной системы вообще существовать не могут. Таким образом, если в обычных зданиях механизмы являются, хотя и необходимой, но все же принадлежностью их, то основной механизм пневматических сооружений - воздухонагнетательная установка - представляет собой элемент конструкции. В первом случае выход из строя механизмов приводит к функциональным расстройствам, к утрате комфорта, во втром - к прекращению существования здания.
Пневматические сооружения уязвимы, как уязвим человек по сравнению с каменной статуей. Они боятся прекращения работы воздухонагнетательной установки - своего сердца, боятся удара ножом, прикосновения пламени. Будучи современным продуктом высокой технической культуры производства, они требуют соответственно высокой культуры эксплуатации, заключающейся прежде всего в обеспечении надежности их функционирования в условиях агрессивных действий со стороны природы или человека.
Основные достоинства воздухоопорных зданий - чрезвычайно малый расход материалов, возможность перекрытия больших пролетов, полное заводское изготовление, быстрота монтажа и демонтажа, сравнительно низкая стоимость, транспортабельность, невозможность обрушения, т.е. безопасность в аварийных ситуациях, светопроницаемость и радиопрозрачность ограждающих конструкций. Недостатки воздухоопорных зданий - необходимость постоянно поддерживать избыточное давление воздуха под оболочкой и трудности создания микроклимата.
Рассмотрим некоторые характерные особенности воздухоопорных зданий:

Малый расход материалов. Р.Б.Фуллеру, известному создателю геодезических куполов, принадлежит афоризм: "Если вы хотите установить степень совершенства конструкции здания, взвесьте его". В этом смысле воздухоопорные здания вне конкуренции. Ограждающая конструкция - тончайшая (до 1/100000 пролета) мягкая оболочка, а поддерживающей конструкции вовсе нет. Воздух держит все сооружение.
Транспортабельность воздухоопорных зданий исключительно высока. Ее можно охарактеризовать отношением строительного объема здания к его объему в транспортном состоянии:

Промышленные здания из сборного железобетона - 3
Сборные и передвижные дома - 7
Пространственные конструкции из легких сматериалов - 15-30
Здания воздухоопорного типа - 1500-2500

Возможность перекрытия больших пролетов. Пролеты, перекрываемые воздухоопорными оболочками, зависят от прочности материалов. Современные материалы позволяют делать купола диаметром до 75 м, однако при применении усиливающих канатов и тросовых сеток, воспринимающих основные растягивающие усилия, пролеты можно увеличить до нескольких сотен метров. Достаточно точное регулирование избыточного давления воздуха в зависимости от изменения комбинации внешних нагрузок, а также применение сверхпрочных материалов позволят строить воздухоопорные оболочки таких размеров, которые будут измеряться километрами.

Быстрота монтажа и демонтажа. Если не считать времени, необходимого для расчистки и планировки площадки, монтаж воздухоопорного здания требует нескольких часов. За это время выполняются разбивка контура сооружения, установка анкеров, сборка каркасов шлюзов, раскладка оболочки, крепление ее к основанию, подсоединение воздуховодов, наполнение воздухом (эта операция длится 20-45 мин). Какой бы большой ни была высота здания, все монтажные работы производятся на уровне его основания (пола). Это в значительной мере способствует быстроте монтажа и безопасности производства работ.

Многооборачиваемость. Полное заводское изготовление и быстрота монтажа способствует многократности использования сооружений. Это особенно важно в случаях, когда сооружения являются инвентарем какой-либо "кочующей" организации. Пневматические тепляки можно последовательно применять на ряде объектов строительства. Зернохранилища или склады для сельскохозяйственной продукции можно сезонно использовать для хранения урожая на полях, железнодорожных станциях и других необорудованных местах. В страдную пору сооружения могут следовать с юга на север.
Сезонное использование воздухоопорных зданий на одном и том же месте также может быть многократным. Многочисленные спортивные и зрелищные сооружения летнего типа (плавательные бассейны, теннисные корты, театры, кино) могут быть на холодное время года перекрыты оболочками, снимаемыми летом.

Светопроницаемость. Большинство современных материалов для оболочек можно изготовлять с различной степенью светопроницаемости. Они могут быть совершенно светопроницаемыми или пропускать свет в такой степени, что световые проемы оказываются ненужными.
Помещения, перекрытые оболочками с высокой светопроницаемостью, ночью можно освещать наружными светильниками, что преставляет определенные удобства, так как исключает необходимость подвески проводов и осветительной арматуры к оболочке или установку под ней фонарных стоек.

Радиопрозрачность. Возможно, что именно проницаемость оболочек воздухоопорного типа для радиоволн послужила толчком для их массового производства в США. С изготовления укрытий для радилокационных антенн и начала свою деятельность первая фирма по производству пневматических конструкций "Бэрдэйр". В настоящее время крупнейшие купола-обтекатели антенн космической связи - в Бохуме и Райстинге (Германия), в Андовере (США), в Ланньоне (Франция) имеют диаметры соответственно 39, 49, 64 и 64 м.
Необходимо добавить, что снег или гололед, снижающие радиопрозрачность укрытия, на пневматических куполах отлагаются менее интенсивно, чем на куполах жесткой конструкции.

Сейсмостойкость. Никакие воздействия, кроме тех, которые могут вызвать разрыв оболочки или прекращение подачи воздуха, не могут причинить ей никакого существенного вреда. Пневматические здания по природе своей сейсмостойки.

Долговечность пневматических конструкций определяется долговечностью материала оболочек. Обычно она не превышает 10 лет. Срок службы остальных элементов пневматического сооружения: воздухонагнетательных и отопительных установок, каркасов, шлюзов, анкеров, фундаментов, усиливающих канатов и др., стоимость которых приблизительно равна стоимости оболочки, значительно выше. Этого нельзя не учитывать при экономических сопоставлениях с традиционными конструкциями. Теперь стали появляться воздухоопорные здания, где силовой основой оболочки служит не синтетическое, а стеклянное волокно. Предполагаемый срок службы такого материала не менее 20-30 лет.

Избыточное давление воздуха под оболочкой. Необходимость постоянно поддерживать избыточное давление воздуха требует непрерывной или периодической подкачки воздуха. При этом затрудняются вход и выход, въезд и выезд, требующие шлюзования или других мер предотвращения утечки воздуха; в помещении возникают воздушные потоки типа сквозняков, шум от вентиляторов. В какой-то мере эти неприятные явления можно смягчить: со сквозняками борются отклонением струй нагнетаемого воздуха вверх, применяют глушители шума вентиляторов, устраивают вращающиеся двери, шлюзы и др.
Входя в пневматическое сооружение, человек ощущает повышение давления воздуха, которое можно сравнить с повышением атмосферного давления, ощущаемого при спуске на лифте примерно с шестого этажа.

Малая толщина материала оболочки.Чем тоньше стенка, ограждающая помещение от внешней среды, тем труднее создать за ней климат, отличный от наружного. Малая толщина оболочки служит первопричиной трудности обогрева воздухоопорного здания, появления конденсата и наледей.

Область применения

Пневматические сооружения (ПС) могут соперничать со зданиями капитального типа из традиционных материалов (дерева, камня, бетона, металла) только в условиях, когда время, отведенное на строительство, измеряется часами (сутками) или когда заранее известно, что срок функционирования сооружения на данной площадке непродолжителен.
Область их применения опледеляется возможностями наиболее полного использования всех преимуществ ПС перед капитальными сооружениями: полного заводского изготовления, высокой транспортабельности, быстроты возведения, многооборачиваемости, сейсмостойкости и т.п. Сравнение с традиционными конструкциями по другим показателям: долговечности, независимости от источников энергии, комфорту - обычно не в пользу пневматических зданий.
Возможность переброски на одном автомобиле или самолете и возведения за несколько часов определили на первых порах область их применения как сооружений полевого типа, быстро монтируемых на необжитых площадках удаленных районов страны. Однако сегодня уже много воздухоопорных зданий постоянного назначения.

склады и хранилища: промышленной продукции и сырья, сельскохозяйственных продуктов, кормов и удобрений, строительных материалов, оборудования, поступающего на строительные площадки, воды и жидкого топлива;

временные сооружения: выставочные, культурно-просветительные (лекционные залы, клубы, планетарии), торговые, зрелищные (театры, кино, цирки), питания (кафе, столовые, рестораны), производственные, медицинские, различного назначения при стихийных бедствиях, катастрофах, военных действиях и т.п.;

мобильные здания: станции оперативного обслуживания техники, киностудии, госпитали и медпункты, выставки, кинотеатры и клубы;

покрытия спортивных сооружений: над теннисными кортами, рингами, помостами, игровыми площадками, плавательными бассейнами, беговыми и ледяными дорожками, легкоатлетическими секторами, хоккейными и футбольными полями, конноспортивными манежами и стадионами;

стационарные производственные помещения: цеха, мастерские, гаражи, ангары, лаборатории и др.;

сооружения специального назначения: обтекатели антенн радиолокаторов, надувные антенны, теплицы, оранжереи;

производство строительных работ: подъемники для монтажа пространственных конструкций (куполов, сводов, складок), тепляки для зимних строительно-монтажных работ, опалубка для конструкций из бетона и напыляемых пластмасс;

испытание строительных конструкций: нагружающие приспособления для элементов пространственных конструкций.

Согласно американским данным, 30% воздухоопорных зданий служит для целей рекреации (спорт, отдых, развлечения), 30% - для нужд промышленности, 30% используется для государственных и военных целей, 10% - для выставок и пр.