ГЛАВА 5. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИИ

Пневматические строительные конструкции покрытий по характеру работы очень близки к пространственным висячим и тентовым мембранам. Оболочки этих конст­рукций, изготовленные из тканых материалов, способны стабилизировать свою форму только при наличии пред­варительного напряжения. В отличие от тентовых мем­бран, где предварительное напряжение создается меха­ническим путем, пневматические конструкции реализуют предварительное напряжение вследствие разности давле­ния (избыточного или вакуума) в подоболочечном и ок­ружающем конструкцию пространстве. -- Возникнув в конце сороковых годов нашего столетия благодаря успехам химии полимеров, пневматические конструкции сразу вступили в полосу своего бурного раз­вития, подготовленную высоким уровнем техники и тех­нической культуры производства.

Среди преимуществ пневматических конструкций сле-шует отметить малый собственный вес, высокую мобиль­ность, быстроту и простоту возведения, возможность перекрытия больших пролетов, высокую степень заводской' готовности и др. г^ Пневматические строительные конструкции в зависимости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы —- пневмпкяркягиир (надувные) и воздух оопорны е (рис. IX.47). Пневмокаркасные конструкции—это надувные стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воз­духа в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом эко­номической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. ДЭти недостатки сдерживают их применение и серийный выпуск конструкций до сих пор в мире не налажен.) Основным достоинством пневмокаркасных конструк­ций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования. Пример неординар­ных пневмокаркасных конструкций — павильон Фудзи (рис IX.48) и покрытие пневматического плавучего те­атра (рис. IX.49) на ЭКСПО-70 в г. Осаке.

Павильон Фудзи сострит из 16 пневмоарок диаметром 4 и длиной 78 м, расположенных по окружности диамет­ром 50 м. В обоих торцах.оставлены проемы шириной 10 м. Тканевая основа материала с разрывной проч­ностью 400 кН/м и массой 3,5 кг/м² состоит из поливи-нйлспиртового волокна. Наружная сторона ткани покры­та хайпалоном, внутренняя —■ поливинилхлоридом. Обыч­ное давление в арках 10 кПа. Оно может быть повышено до 25 кПа при штормовых ветрах. Обычно диаметр пнев­мокаркасных элементов не превышает 1 м. Увеличение диаметра арок в павильоне Фудзи позволило снизить внутреннее давление в них и величину растягивающих усилий.

Оболочка покрытия театра (см. рис. IX.49) поддер­живается пневматическими трубчатыми элементами ди­аметром 3 м, образующими три арки пролетом 23 м. Внутренняя оболочка потолка была выполнена в виде мембраны с'канатами. Обе оболочки — кровельная и потолочная герметично прикреплялись по периферии аудитории к основанию и пространство между оболочка­ми находилось под отрицательным давлением (ваку­умом) 0,1 кПа. При штормах для предотвращения флат­тера оболочки давление повышалось до 0,2 кПа. В этом сооружении сочетаются конструкции двух типов — пнев-мокаркасные и воздухоопорные.

Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении незначительной разницей давления в разделяемых обо­лочкой пространствах. Это конструкции, которые опира­ются на воздух. Для противодействия внешним нагруз­кам давление воздуха под оболочкой по сравнению с ат­мосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Такое незначительное избыточное давление не осложняет требований к герметичности и к самочувствию находящихся под оболочкой людей. Некоторые схемы воздухоопорных конструкций приведены на рис. 1ХА7,б, в.

Воздухоопорные сооружения получили в строительстве большце распространение. Покрытия этого типа отлича­ются простотой конструкции, безопасностью и надеж­ностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты. Около 50—70 % возве-1 денных в настоящее время воздухоопорных покрытий ис-' пользуются как складские помещения; 20—40% — как покрытия для спортивных сооружений. Часть конструк­ций используют как выставочные павильоны, покрытия строительно-монтажных площадок, различного рода ук­рытия.

Наибольшее распространение получили оболочки в форме цилиндрических сводов и сферических куполов. Поскольку оболочка «лежит» на воздушной подушке, пролеты воздухоопорных конструкций теоретически не имеют ограничений. Практически пролет оболочек без усиления канатами или тросовыми сетками достигает 50—70 м. Пролеты оболочек, усиленные тросами, дости­гают 168 м, что не является предельным. Например, про­ект покрытия города на 20 тыс. жителей, разработанный под руководством Ф. Отто (ФРГ) в форме купола, имеет диаметр 2 км, высоту 240 м, диаметр несущих канатов из полиэфирного волокна 270 мм. Гарантированный срок службы покрытия 100 лет. Давление под оболочкой всего 250 Па. Схемы покрытий из воздухоопорных оболочек приведены на рис. IX.47, б, в.

В нашей стране приняты следующие размеры возду-хоопорных оболочек: сферические купола диаметром 12, 24, 36, 42, 60 м; цилиндрические оболочки пролетом 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60 м; длина цилиндрических оболо­чек в зависимости от пролета изменяется от 24 до 90 м, высота от 6 до 20 м.

Любая классификация таких конструкций условна. Поэтому двухслойные покрытия, называемые пневмолин-зами (на круглом, овальном или многоугольном плане) и пневмоподушками (на прямоугольном плане), занима­ют промежуточное положение между первой и второй группами. По принципу статической работы их следует относить к воздухоопорным конструкциям, хотя по от­сутствию избыточного давления в эксплуатируемом про­странстве они близки к воздухонесомым. v Другие виды конструкций, такие, как пневмооболоч-ка на жестком каркасе или пневмооболочка, поддержи­ваемая вантами и т. п., принципиально по характеру ра­боты не отличаются от рассмотренных и благодаря До­полнительным устройствам являются модификацией внутри группы.

Основными частями воздухоопорной пневматической "конструкции являются собственно оболочка, шлюз, кон­турные элементы с анкерными устройствами, воздуходув­ные и отопительные установки. Основу несущей конст­рукции шлюза обычно составляет жесткий каркас из металла, дерева, пластмассы, по которому закрепляют гер­метизирующую оболочку покрытия. Размеры шлюза за­висят от назначения сооружения и колеблются от 1Х2Х Х2 м для запасных входов до размеров, обеспечиваю­щих шлюзование реактивных самолетов.

Очень ответственной частью оболочки является ан­керное устройство. Из большого числа вариантов анкер­ных устройств заслуживает внимания конструкция креп­ления оболочки к фундаменту или к отдельным сваям с помощью двух труб — верхней и нижней. Нижнюю трубу крепят к фундаменту, а верхнюю — к полотнищу оболоч­ки. Затем трубы соединяются скобами. Эффективно ан­керное крепление оболочки с применением каната (рис. IX.50, а). В сельском строительстве получили распрост­ранение схемы креплений с применением вантовых ан­керов, земляных анкеров, рукавов, заполненных водой (рис.,1Х.50,б).

Первоначальная стоимость пневматических сооружений ниже стоимости сооружения из традиционных мате­риалов, однако эксплуатационные расходы на содержа­ние пневматических конструкций выше. Поэтому, оцени­вая экономическую эффективность пневматических конструкций, необходимо принимать во внимание, что со временем наступает момент, когда суммарные расходы на приобретение и эксплуатацию пневматических конст­рукций будут превышать таковые для конструкций из других материалов. По данным ЧССР воздухоопорная оболочка размером 21X57 м после 15 лет эксплуатации, по суммарным расходам уравнивается со зданием раз­мером 21X60 м из стальных рам и гофрированной стали.