20) Высотные здания с пневматическими конструкциями
Пневмокаркасные конструкции состоят из несущего каркаса в виде пневмостоек, пневмобалок, пневмоарок, пневмопанелей, пневмосводов и наружного ограждения из ткани или пленки (рис. 161). Избыточное давление 0,5...3 МПа в пневмокаркасе обеспечивает проектное положение сооружения и повышенную несущую способность. Характерным примером пневмокаркасной конструкции служит свод с несущим каркасом из пневмоарок и пневмопрогонов из высокопрочной прорезиненной ткани с ограждающей оболочкой. В последнее время введено в эксплуатацию много разнообразных пневмокаркасных сооружений вплоть до многоэтажных (рис. 161, б).
Пневматические строительные конструкции обычно делят на две совершенно самостоятельные группы: воздухонесомые и воздухоопорные, отличающиеся друг от друга принципом статической работы, конструкцией и характером эксплуатации
Воздухонесомые (надувные) конструкции — это стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается постоянным давлением воздуха в их замкнутом объеме. Как правило, они представляют собой отдельные конструктивные элементы с высоким внутренним давлением воздуха, требующим соответственно высокой степени герметизации. Если бы удалось преодолеть неимоверные трудности достижения абсолютной герметичности, то это были бы идеальные строительные конструкции, обладающие высокой несущей способностью при необычайной легкости. В настоящее время мы еще далеки от такого совершенства.
Воздухоопорные конструкции работают совсем по-другому. Их оболочка просто «лежит» на воздухе, которому выйти из-под нее некуда. Она «опирается» на воздух. Для противодействия внешним нагрузкам давление воздуха несколько повышается по сравнению с атмосферным. Вследствие низкого (100—400 Па) давления воздуха и непрерывной его подачи вентилятором особых требований к герметичности оболочки не предъявляется. Важно лишь, чтобы утечку воздуха компенсировало его поступление от вентилятора, что обычно трудностей не представляет. Воздухоопорные оболочки крепятся к опорному контуру (грунту или прилегающим жестким конструкциям).
Функциональное различие между воздухонесомыми и воздухоопорными конструкциями с точки зрения строителей состоит в том, что первые являются сравнительно небольшими конструктивными элементами (балками, стойками, арками, панелями и др.), тогда как вторые настолько велики, что представляют собой целое здание, в котором можно жить и работать. Отсюда их эксплуатационное различие — давление воздуха в полезном пространстве, образованном воздухонесомыми конструкциями, равно атмосферному, а под оболочкой воздухоопорного сооружения превышает его.
Из этой классификации выпадает особый вид двухслойных покрытий, которые называют пневмолинзами, если они перекрывают круглый, овальный или многоугольный план, и пневмоподушками при прямоугольном плане. Пневмолинзы по принципу статической работы следует отнести к воздухоопорному типу, а по такому признаку, как отсутствие избыточного давления в эксплуатируемом пространстве, они ближе к воздухонесомым, представляя собой не здание в целом, что является признаком воздухоопорных сооружений, а лишь один его конструктивный элемент — покрытие.
Воздухонесомые (пневмостержневые и пневмопанельные) строительные конструкции в настоящее время заметного распространения не получили.
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 строительномонтажных площадок, более эффектные по размерам или эстетическим качествам, уступают им по массовости применения.
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.