Технические науки/2. Механика

Тастанбекова С.Б., Кубнтаева Г.К.

Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д. Серикбаева

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Пневматические конструкции быстро проникают во все области деятельности человека не только на земле, на воде и в воздухе, но и под землей, под водой и в космосе. Мало того, сейчас родилось так называемое третье поколение пневматических конструкций – управляемых, контролируемых, движущихся. Появляются проекты, и не только проекты - действующие модели- движителей нового типа, пневматических: мягкие оболочки, меняющие свою форму при изменении давления подаваемого в их отсеки воздуха, начинают плавать, ползать подобно рыбам или пресмыкающимся, и выполнять работы, заданные волей оператора или программой.

В мировой строительной практике пневматические сооружения очень быстро завоевывает все общее признание. Пневматические строительные конструкции никогда и никем серьезно не рассматривались как заменители традиционных сооружений. В лучшем случае они считались конкурентоспособными лишь в ограниченных сферах строительства.

Пневматические сооружения 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, срок функционирования сооружения на данной площадке непродолжителен.

Перспективы развития пневматических строительных конструкций основываются на двух главных чертах, присущих оболочкам воздухоопорного типа: возможности перекрытия больших пролетов и изоляции от окружающей среды. При проектировании воздухоопорных сооружений основное внимание уделяется определению формы пневмооболочки, удовлетворяющий всем критериям устойчивости строительных конструкций. Размеры воздухоопорных зданий были ограничены прочностью материалов оболочек лишь до тех пор , пока не появились конструкции, усиленные канатами и сетями. Основные усилия, которые воспринимали ткани или пленки, оказалось возможным передавать тросовой системе, несущая способность которой практически неограниченна. Результаты показывают непрерывный рост пролетов пневматических сооружений, усиленных стальными тросами, на фоне стабилизировавшихся размеров оболочек без усиления , достигших, очевидно, своего экономически рационального предела 50-70м (нижний предел относится к сооружениям на прямоугольном, а верхний на круглом плане). Пролет 168м оболочек, усиленных канатами, на сегодня рекордный, но далеко не предельный. Разработано много проектов оболочек с гораздо большими пролетами. Выполнены расчеты, сделаны аэродинамические продувки, изготовлены и испытаны макеты. Наиболее грандиозным и в то же время солидно обоснованным выглядит проект оболочки над городом в Арктике, выполненный интернациональной бригадой под руководством проф. Ф. Отто, ФРГ. Город на 20тыс. жителей располагается под светопроницаемым куполом диаметром 2км и высотой 240м. Силовой основой оболочки служат канаты диаметром 280мм из полиэфирного волокна с гарантированным сроком службы 100 лет.

Двухслойная оболочка поддерживается избыточным давлением воздуха только 250 Па. Говоря о предельных пролетах, приходится различать две стороны этой задачи - техническую возможность и экономическую целесообразность. Пневматические оболочки по природе своей воздухонепроницаемые, изолируют перекрываемое пространство от окружающей атмосферы. Пока размеры оболочек соизмеримы, а функции сопоставимы с размерами и функциями соседних капитальных зданий, пневматические сооружения часто выглядит неполноценным заменителем последних. Когда оболочки становятся столь большими, что под ним можно расположить целый город, то они приобретают новое качество. Город становится защищенным от атмосферных воздействий - ветра, осадков, от излишней инсоляции, от резких колебаний температуры и ее коварных переходов через нуль. Полное исключение одних и смягчение других факторов позволяют существенно облегчить и удешевить ограждающие и несущие конструкции зданий. Воздух под куполом можно подогревать, обеспыливать и увлажнять. Отопление города может стать более экономичным, поскольку суммарная теплоотдающая поверхность всех городских отапливаемых зданий превышает площадь теплоотдачи купола в 50 раз. Дождевые и талые воды, отводимые внутренними водостоками, можно рационально использовать, облегчая решение назревающей проблемы нехватки пресной воды. Исключаются нужда в ливневой канализации и расходы на очистку улиц от снега.

Попытка реализации этих соображений уже предпринята. Группа многоэтажных административных зданий в Денвере, США, покрывается единой воздухоопорной оболочкой размерами 305х122х11м, опертой на земляной вал высотой 8,5м. Приближенную оценку повышения давления, вызванного разностью температур t₂ и t₁ воздуха под оболочкой, можно сделать по формуле изохорического процесса:

где р₀ –атмосферное давление при 0° С.

Сейчас под пневматическими оболочками строят сравнительно небольшие здания, выполняют отдельные виды строительных работ: сварочные, кровельные, бетонные. Однако недалек тот день, когда сможет быть покрыта вся строительная площадка, и производство строительно-монтажных работ не будет зависеть ни от времени года, ни от погоды, ни от распутицы. Не менее захватывающие перспективы открывает возможность перекрытия крупных агропромышленных угодий. Использования парникового эффекта, управление влаготермическим режимом под оболочкой средствами регулирования инсоляции и испарения влаги, насыщения атмосферы под оболочкой СО₂ –все это сократит вегетационный период растений и в конечном счете позволит собирать несколько урожаев в год..

Пневматические конструкции одна из новых разновидностей мягких оболочек. Мягким называют оболочки из материалов, обладающих высоким сопротивлением растяжению, но не способных сопротивляться каким-либо иным видам, напряженного состояния (сжатию, сдвигу, изгибу). Воздухоопорные сооружения–строительные конструкции особого типа . В отличии от обычных конструкций , устойчивость которых обеспечивается жесткостью применяемых материалов, они требуют, помимо статических конструктивных элементов, еще и механизмов- воздухонагревательных установок.

При проектировании воздухоопорных сооружений основное внимание уделяется определению формы пневмооболочки, удовлетворяющий всем критериям устойчивости строительных конструкций. Формы мягких оболочек, особенно пневматических, разнообразны, но далеко не произвольны.

Воздухоопорные оболочки по форме мало отличаются от тонкостенных оболочек из жестких материалов. Для материалов пневматических конструкций характерны высокая прочность при растяжении, малое сопротивление сдвигу и полная неспособность к сопротивлению сжатию и изгибу. В более отдаленном будущем средствами, нам пока еще неведомыми, вероятно, будут созданы зоны искусственного климата над целыми областями (если не странами). Тогда отпадет нужда и в оболочках, которые сейчас грозят сделать ненужными дома в их современном виде.