Воздухоопорные здания и сооружения - Ермолов В.В.

Глава 1. Пневматические конструкции воздухоопорного типа

1.2. Разновидности пневматических оболочек

1.3. Особенности воздухоопорньщ зданий и сооружений

Глава 2. Формы и конструкции воздухоопорных зданий

2.2. Оболочки, усиленные канатами и сетями

2.10. Перспективы развития пневматических сооружений

3.3. Соединение отдельных полотнищ и монтажных, секций

Глава 4. Расчет оболочек воздухоопорных зданий

4.3. Напряженно-деформированное состояние мягких оболочек

Автор: Ермолов В.В.

Теги: строительство строительные материалы строительно-монтажные работы отдельные виды строительства сооружения

Год: 1980

Похожие

Справочник проектировщика. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства

Реконструкция зданий и сооружений

Металлические конструкции. Конструкции зданий 2

Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений

Текст

В. В. ЕРМОЛОВ
6
£ М
ВОЗДУХООПОРНЫЕ
ЗДАНИЯ
И СООРУЖЕНИЯ
МОСКВА
СТРОЙИЗДАТ
1980

ББК 38.708
Е 74
УДК 69.033.15
Печатается по решению секции литературы по строительной фи¬
зике и конструкциям редакционного совета Стройиздата.
Ермолов В. В.
Е 74 Воздухоопорные здания и сооружения. — М.:
Стройиздат, 1980.— 304 с., ил.
Рассмотрены оболочки с примыкающими мягкими деталями и уст¬
ройствами— тенты шлюзов, переходники, фартуки, воздуховоды и др.,
а также некоторые жесткие элементы сооружений. Изложены основ¬
ные направления развития теории мягких оболочек применительно к
пневматическим конструкциям и практические методы расчета. Даны
рекомендации по эксплуатации пневматических зданий.
Предназначена для инженерно-технических и научных работни¬
ков.
30205—421
Е 93-80. 3202000000
047(01) —80
ББК 38.708
6С4.7
© Стройиздат, 1980
ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ ЕРМОЛОВ
ВОЗДУХООПОРНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
Редакция литературы по строительным материалам
и конструкциям
Зав. редакцией П. И. Филимонов
Редактор А. В. Болотина
Мл. редактор Л. А. Табачник
Внешнее оформление художника В. В. Вантрусова
Технические редакторы Т. В. Кузнецова, Ю. Л. Циханкова
Корректоры В. А. Быкова, Н. П. Чугунова
ИБ № 1771
Сдано в набор 1.10.79. Подписано в печать 20.02.80.
Формат 84ХIO8V32 Бумага тип. № 1
Гарнитура «Литературная». Печать высокая Уел. печ. л. 15,96
Уч.-изд. л. 16,62 Тираж 5000 экз. Изд. № AVI-7136. Заказ № 540
Цена 1 р. 20 к.
Стройиздат
101442, Москва, Каляевская ул., д. 23а
Подольский филиал ПО «Периодика» Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
г. Подольск, ул. Кирова, 25

ПРЕДИСЛОВИЕ
Со времени выхода в свет книги «Пневматические
конструкции воздухоопорного типа», изданной под ре¬
дакцией автора в 1973 г., прошло не так уж много
времени. Однако за эти годы область применения
пневматических конструкций в строительстве сущест¬
венно расширилась, умножилось число примеров ра¬
ционального их использования, накопился солидный
опыт эксплуатации, появилось много нового в теории
расчета. В Ангрене (УзССР) построен завод, изготов¬
ляющий и поставляющий заказчикам типовые пневма¬
тические здания, укомплектованные воздухонагнета¬
тельным и отопительным оборудованием. Десятки
фирм во всех технически развитых странах мира заня¬
ты изготовлением и сбытом пневматических зданий и
сооружений.
Внедрение их в строительную практику СССР отве¬
чает как общей задаче всемерного облегчения строи¬
тельных конструкций, так и ряду частных, например,
о необходимости устранения потерь сельскохозяйствен¬
ной продукции: картофеля, овощей, фруктов, зерна, о
чем говорил Председатель Президиума Верховного
Совета СССР, Генеральный секретарь ЦК КПСС
товарищ Леонид Ильич Брежнев в речи перед избира¬
телями 2 марта 1979 г. Легчайшие из всех сооруже¬
ний — воздухоопорные здания наряду с многими при¬
мерами их рационального применения могут успешно
служить немедленно развертываемыми хранилищами
урожая.
Проблема развития пневматических сооружений пе¬
рерастает рамки решения чисто технических задач,
которые сводятся в основном к повышению их надеж¬
ности и долговечности, к завоеванию километровых
пролетов. Возникают и другие вопросы: границы об¬
ласти применения, отторгаемой ими у традиционных
зданий; социальные последствия успешного решения
проблемы покрытия городов оболочками; создание ис¬
кусственного климата над поселениями или над агро-
1* Зак. 540
3

промышленными комплексами; архитектура пневмати¬
ческих сооружений.
Появление пневматических строительных конструк¬
ций породило ряд вопросов, которые никого не интере¬
совали до тех пор, пока строительство и архитектура
развивались в рамках использования жестких, тяже¬
лых и долговечных материалов. Например, есть ли
смысл делать здание «вечным», если его можно воз¬
вести за день? Что выгоднее: нагревать воздух внутри
толстостенных зданий или вокруг тонкостенных? Ка¬
кова архитектоника зданий, не «давящих» на землю, а
«отталкивающихся» от нее? Прямых ответов на эти
вопросы в книге нет. Однако тенденции, пути их реше¬
ния в какой-то мере обозначены.
Необходимость обобщения опыта проектирования,
монтажа и эксплуатации пневматических конструкций
доказывается тем, что в течение сравнительно коротко¬
го времени был проведен ряд тематических конферен¬
ций международного, национального и регионального
масштаба. Особенно плодотворными были специальные
симпозиумы, проведенные ПАСС — Международной ас¬
социацией по пространственным конструкциям и обо¬
лочкам в Штутгарте (1967 г.), Делфте (1972 г.), Вене¬
ции (1977 г.). Тематика пневматических конструкций
была представлена и на других форумах ПАСС: Тихо¬
океанском симпозиуме (1971 г.), в Токио и Киото и
конференциях в Монреале (1976 г.), Алма-Ате (1977 г.),
Мадриде (1979 г.). Созданная при ИАСС рабочая
группа по пневматическим конструкциям, одной из ос¬
новных задач которой является разработка междуна¬
родных норм проектирования этих конструкций, соби¬
ралась трижды: в 1976, 1978 и 1979 гг.
В СССР конференции и симпозиумы по мягким
оболочкам (в основном пневматическим) были прове¬
дены в Загорске (1970 г.), Казани (1971 г.), Владивос¬
токе (1970, 1976, 1979 гг.), Новочеркасске (1973,
1976 гг.), Ангрене (1978 г.). Проблемы пневматичес¬
ких конструкций обсуждались на национальных конфе¬
ренциях США—в Чикаго (1971 г.), Коламбии (1973 г),
Лас Вегасе (1974 г.); дважды (1973, 1975 гг.) проводи¬
лись конференции в Брно (ЧССР) на тему «Текстиль в
строительстве и архитектуре» и дважды (1976,
1979 гг.) — симпозиумы по мягким пространственным
4

покрытиям в Институте легких конструкций в Штут¬
гарте (ФРГ).
Основное из того нового, что дали эти встречи спе¬
циалистов ряда стран, отражено в книге.
Изучая передовой опыт и достижения мировой
практики пневматических конструкций, можно отме¬
тить тенденцию к стационарному использованию воз¬
духоопорных зданий, рост примеров канатного или се¬
тевого усиления оболочек (например, в США до 30%
продукции), совершенствование конструкции и повыше¬
ние надежности вентиляторных и отопительных устано¬
вок. Все это способствует расширению области приме¬
нения пневматических конструкций в строительстве и
позволяет надеяться на то, что в ближайшие годы они
станут привычным элементом городского, промышлен¬
ного или сельского архитектурного ансамбля.
Ряд фотографий, иллюстрирующих книгу, любезно
предоставили советские и зарубежные коллеги: Ю. Г. Ан-
цыгин (1.3а, 1.10а), В. В. Беспалов (1.4а, б; 5.1 в),
Дж. Бертрам, США (1.5а, 1,16в,г; 2.56, 3.46а, 3.496),
В. П. Шпаков (1.5в, 1.106, 4.18в), Г. А. Юкин (1.96),
Д. Виттипг, Финляндия (1.126, 1.16а, 6; 5.16), Д. П. Ай¬
рапетов (2.5а), Ю. Н. Орса (2.7а, 3.17г, 3.28а,д\ 3.336),
В. Л. Мешкуров (2.86, а), В. С. Поляков (2.8г),
Дж. Моитеро, США (2.34а), В. П. Поляков (3.6),
Вл. В. Ермолов (3.49а), С. Б. Вознесенский (4.17,а),
Е. Г. Андриенко (5.3, 5.9а).
Автор признателен д-ру техн. наук, проф. С. А. Алек¬
сееву и д-ру техн. наук, проф. В. И. Усюкину, ценные
советы которых были учтены при работе над книгой.

ВВЕДЕНИЕ
Пневматические конструкции — одна из новых раз¬
новидностей мягких оболочек. Мягкими называют обо¬
лочки из материалов, обладающих высоким сопротивле¬
нием растяжению, но неспособных сопротивляться ка¬
ким-либо иным видам напряженного состояния (сжа¬
тию, изгибу, сдвигу). Работа мягкой оболочки при
действии внешних нагрузок, вызывающих эти иные на¬
пряжения, возможна лишь при условии предварительно¬
го ее натяжения. Его можно создать тремя способами:
механическим, гидростатическим и аэростатическим. В
последнем случае оболочки считаются надувными, или
пневматическими (с греческого jtvet>p,omxo£ — воздуш¬
ный).
Пневматические оболочки делают из мягких мате¬
риалов: тканей с воздухонепроницаемым покрытием
или из армированных пленок. Не исключается примене¬
ние оболочек и из тонколистовых жестких материалов:
армированных пластиков, металла; напрягающая сре¬
да— воздух может быть заменен газом, жидкостью и
даже сыпучим материалом. Воздух, заключенный в
мягкую оболочку, способен при определенном давлении
придать ей способность противостоять внешним нагруз¬
кам. Это его свойство позволяет решать разнообразные
технические задачи (рис. 1.1—1.3).
Воздухоплавание, давшее жизнь пневматическим
строительным конструкциям, возрождается в наши дни;
снова появляются воздушные шары, дирижабли. Надув¬
ными делают планеры, самолеты и искусственные спут¬
ники Земли. Ходят надувные суда, порой соизмеримые
по величине с каравеллами Колумба. По морям и рекам
буксируют мягкие емкости, наполненные горючим. В
морских глубинах ставят пневматические «палатки»,
давление воздуха в которых уравновешивает гидроста¬
тическое давление. В них живут и работают люди. Груп¬
па советских акванавтов во главе с А. Б. Королевым
находилась в подводном доме «Спрут» 14 суток.
Рекорд глубины погружения пневматического подводно¬
го дома размерами 1,2X2,4 м принадлежит Р. Стёнюи
и И. Линдбергу [1.6], прожившим в нем на глубине
132 м двое суток. Пневматические жилища могут быть
использованы и для устройства станций в космосе или
на Луне. Обладая минимальными весом и транспортным
объемом, они в условиях вакуума будут всегда напря-
6

а I в
б I г
Рис. 1.1. Пневматические конструкции на воде
а — надувной катер; б — тетраэдр для «хождения по воде»; в — наплавной
пленочный тоннель d=3 м; г — то же, вид изнутри
8

9
Рис. 1.2. Пневматические конструкции под во
и над землей
а — подводный дом советских акванавтов «Спрут»;
подводный дом американски* гидронавтов; в — под:
ное жилище паука-серебрянки; г — надувной самолет

а б
в
г
Рис. 1.3. Пневма¬
тические конструк¬
ции в различных
областях техники
а — транспортирова¬
ние цистерны на воз¬
душной подушке;
б — широкий киноэк¬
ран, стабилизирован¬
ный вакуумом; в —
укрытие палубы и
надстроек законсер¬
вированного корабля;
г — наливная плоти¬
на на р. Сюнь (Баш¬
кирия)
10

жены внутренним давлением дыхательной смеси для
космонавтов.
Пневматические конструкции используются в различ¬
ных областях техники. В строительстве — самом круп¬
ном (имея в виду не только число, но и размеры изде¬
лий) потребителе пневматических конструкций — мож¬
но назвать следующие основные пути их использования:
плотины, подъемники, опалубку, здания.
Мягкие баллоны, наполненные воздухом или водой
(иногда и тем и другим), используются в качестве пло¬
тин. Высота плотин достигает сегодня трех метров, а
может быть доведена до шести. Надувные и наливные
плотины позволяют легко регулировать сток воды: их
высота переменна и зависит от давления напрягающей
среды — воздуха или воды.
Технология бетонирования с использованием пневма¬
тической опалубки (рис. 1.4) развивается в двух на¬
правлениях: торкретирование или набрызг бетонной сме¬
си на заранее надутую форму и подъем бетонной смеси,
уложенной на плоской мембране, а также формирова¬
ние купола благодаря растяжению мембраны и спираль¬
ной арматуры при подаче воздуха. Проводятся успеш¬
ные эксперименты по намораживанию льда [1-9]. [1.23]
и напылению пенопласта [3.34] на воздухоопорную обо¬
лочку как на опалубку.
Воздухоопорные оболочки широко используются в
качестве строительных тепляков (рис. 1.5). Защита
строительно-монтажного процесса от атмосферных воз¬
действий (осадков, ветра, мороза) повышает производи¬
тельность труда и качество работ.

bss
Ж,
Рис. 1.4. Пневматическая опалубка
ч. б — нанесение набрызг-бетона на неподвижную опалубку полусферического
купола диаметром 32 м; в — напыление пенопласта на внутреннюю поверх¬
ность опалубки; г — опалубка, поднимаемая воздухом вместе с бетонной
г метмо
I -укладка нижней мембраны; // — укладка спиральной арматуры; III —
укладка бетонной смеси; IV — укладка верхней мембраны и установка виб¬
раторов, связанных тросами с центральной катушкой; V — подача воздуха
под нижнюю мембрану и подъем бетона; VI — уплотнение бетонной смеси
вибраторами; VII — распалубка после пробития отверстий / и d отсосом воз¬
духа из-под купола;
/—оболочка; 2 — напыливающий аппарат; 3 — жесткий пенополиуретан; 4 —
мотовентилятор

а I в
б It
Рис. 1.5. Пневма¬
тические оболочки
для производства
строительных ра¬
бот
а — в — тепляки для
выполнения нулевого
цикла, устройства
кровли, сварки газ¬
гольдеров; г — подъ¬
емник для монтажа
сборного металличе¬
ского купола
15

Глава 1
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
ВОЗДУХООПОРНОГО ТИПА
1.1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
Природа, создавшая прототипы ряда пневматических
конструкций — биологических форм, неоднократно под¬
сказывала эту идею человеку. И в глубокой древности
он уже пришел к мысли об использовании пузырей и
шкур животных в качестве плавсредств (рис. 1.6), кото¬
рые затем превратились в надувные плоты, лодки и да¬
же корабли. Надувные матрацы из кожи применяли в
походах солдаты Древнего Рима [2.2].
Не могли не заинтересовать надувные конструкции и
великого инженера Возрождения Леонардо да Винчи.
Дж. Вазари свидетельствует: «Изготовив особенную
восковую массу, он делал из нее... тончайших, напол¬
ненных воздухом животных, которых он заставлял наду¬
ваться и взлетать вверх...»
Пневматические конструкции помогли человеку под¬
няться в воздух. Воздушные шары братьев Монгольфье,
начавшие в 1783 г. эру практического воздухоплавания,
были, по существу, пневматическими конструкциями.
Пузыри на дождевых лужах, мыльные пленки ассо¬
циировались у человека с большими искусственными пу¬
зырями, под сводами которых можно было бы жить и ра¬
ботать. Удивительна аналогия между подводным жили¬
щем паука-серебрянки и подводными домиками аква¬
навтов. Паук использует в качестве оболочки пленку
поверхностного натяжения и наполняет ее пузырьками
воздуха, которые заносит с поверхности воды в своих
мохнатых лапках. Люди делают из прорезиненной мате¬
рии мешки и накачивают в них воздух компрессорами.
История пневматических строительных конструкций
еще очень коротка. Изобретателем их обычно считают
английского инженера Фредерика У. Ланчестера, кото¬
рый запатентовал конструкцию воздухоопорного здания
в 1917 г. [1.18] (рис. 1.7). Однако известный немецкий
специалист в области легких конструкций проф. Фрей
Отто, не отрицая приоритета конструкции Ланчестера,
отметил, что «по всей вероятности, ей предшествовали
еще более ранние, но неизвестные проекты ... » Как мы
16

увидим далее, он был прав. После Ланчестера обычно
упоминают имя американца Герберта Г. Стивенса, кото¬
рый в 1942 г. разработал проект перекрытия здания
авиасборочного цеха в виде воздухоопорной оболочки
диаметром 365 м из листовой (1,27 мм) стали. Справед¬
ливости ради между именами Ланчестера и Стивенса
следует поставить имя проф. Г. И. Покровского, неодно¬
кратно выступавшего в печати с предложениями, относя¬
щимися к области «аэростатической архитектуры».
Статья его «Тонкие пленки» [1.8] в 1936 г. открывает
серию публикаций с оригинальными предложениями в
этой области.
Идея купола, наполненного воздухом, существовала
давно, и время от времени находила свое выражение в
различных проектах и изобретениях. Однако ни Ланчес-
теру, ни Покровскому, ни Стивенсу не удалось вопло¬
тить свои идеи. В те годы это было технически трудно,
но вполне возможно. Достаточно взглянуть на снимок
времен обороны Москвы 1941 г., где на фоне Большого
театра изображен плуспущенный аоэростат загражде-
| ния. Казалось, стоило только прикрепить его кольями
. по периметру к земле, наполнить воздухом, и крыша
над головой, которая была так нужна в те суровые го¬
ды, была бы готова.
Только в 1946 г. американскому авиационному инже
неру Уолтеру У. Бэрду удалось создать первое в мире
реальное пневматическое сооружение (купол укрытия
радиолокационной антенны), взобраться на него и сфо¬
тографироваться, как на покоренной вершине (рис. 1.8).
В 1956 г. У. Бэрд организовал фирму «Бэрдэйр» и уже
через год изготовил около 100 пневмосооружений. Об¬
щее число пневматических сооружений во всем мире в
1972 г. составляло около 20 тыс., а в 1976 г.— уже
50 тыс. единиц [1.19]. Прогноз на следующее пятиле¬
тие— еще 100 тыс. [1.21].
И все же не Ланчестеру принадлежит пальма пер¬
венства. Оказалось, что корни истории патентования
пневматических сооружений уходят в прошлый век. В
«Журнале новейших изобретений и открытий» за 1896 г.
говорится: «Выдающийся интерес представляют аэро¬
балки, изобретенные г. Сумовским. Сущность нового
изобретения сводится к следующему: непроницаемые
мешки длиной до двух и более сажен различного диа¬
метра наполняются при помощи воздушного насоса воз-
17

а
Рис. 1.6. При¬
меры из исто¬
рии пневмати¬
ческих конст¬
рукций
а — плот на на¬
дувных бурдюках
на р. Тигр (рель¬
еф из Дур-Шар-
рукина, Ассирия,
IX в. до н. э.);
б — надувной
матрац римских
солдат (гравюра
на дереве, выре¬
занная в XVI в.
по литературным
источникам Древ¬
него Рима); в —
аэростат заграж¬
дения на земле
18

духом. Из этих мешков можно строить легко и быстро
громадные постройки... Оригинальная идея г. Сумов-
ского проверена практически, и Министерство путей со¬
общения уже ассигновало необходимую сумму для про¬
изводства дальнейших опытов с его изобретением».
Пока неизвестно, как использовал Сумовский эти ассиг¬
нования. Однако нам удалось обнаружить в патентных
архивах сведения о том, что он получил на свое изобре¬
тение американский патент № 511472 в декабре 1893 г.
Аналогичная идея — несущие элементы конструк¬
ции, наполненные воздухом, — родилась и у японца
Кашениге Номура, который в 1929 г. изготовил опыт¬
ный образец (японский патент № 65170) палатки «Тент-
модерн» размерами 2X2X2 м с каркасом из четырех
пневмостержней [1.16].
По свидетельству А. Квормби [2.2], подобные па¬
латки («иглу») в Англии стали поступать на рынок с
1936 г.> и их производят по сей день. Он же сообщает,
что айгЛЙЙскйе зенитчики в 1938—1939 гг. широко ис-
пользоааЛй надувные купола диаметром 6—9 м в каче¬
стве f jekdftepoB, проецируя на их сферическую поверх¬
ность фЙЛЬМ с кадрами атакующих самолетов.
НесМЬдря на давние проектные начинания, практичес¬
кая рёёЛйзация идеи пневматических сооружений в на¬
шей с+ране началась с некоторым запозданием. Первое
19

Рис. 1.7. Первые проекты пневматических зданий
а-Ф.У. Ланчестера; б - Г. Г. Стивенса; в — г — Г. И. Покровского
20

Рис. 1.8. Первое воздухоопорное здание (США, 1946)
сооружение — сферический купол диаметром 36 м — бы¬
ло создано только в 1959 г. С 1975 г., после введения в
строй Ангренского комбината, воздухоопорные здания
стали серийной продукцией.
Важнейшие события в истории развития пневмати¬
ческих конструкций:
1893 г.— Сумовский запатентовал конструкцию моста
из пневмобалок и получил ассигнования на
производство опытов от Российского министер¬
ства путей сообщения.
1917 г.— Ф. У. Ланчестер запатентовал конструкцию
воздухоопорного здания, имеющего все элемен¬
ты современного пневматического сооружения.
1929 г.— К. Номура (Япония) изготовил и запатенто¬
вал «Тент-модерн» — палатку 2X2X2 м с на¬
дувными ребрами.
1933 г.— Н. Васильев получил авторское свидетельство
№ 45330 на пневматическую антенну из проре¬
зиненной ткани с проволочной тягой внутри.
1936—1964 гг.— Публикации Г. И. Покровского на тему
«Пневматическая архитектура».
1938 г.— Ф. У. Ланчестер опубликовал проект воздухо¬
опорного купола диаметром 329 м.
1938 г.— Б. Раш (Германия) предложил проект надув¬
ного ангара для Антарктики.
22

1938 г.— Использование воздухоопорных куполов как
тренажеров для английских зенитчиков.
1939 г.— Использование англичанами ложных надув¬
ных макетов боевой техники во время опера¬
ций в Северной Африке.
1942 г.— У. Нэфф (США) использовал надувную опа¬
лубку для бетонирования куполов.
1942 г.— Г. Стивенс (США) опубликовал проект авиа¬
ционного завода, перекрытого воздухоопорной
оболочкой из листовой стали.
1946 г.— У. Бэрд (США) построил и испытал первое
пневматическое здание — сферический купол
диаметром 11 м.
1951 г.— Спроектирован и испытан надувной самолет
(Кардингтон, Англия).
1956 г.— Начало серийного производства воздухоопор¬
ных оболочек для гражданских целей (фирма
«Бэрдэйр», США).
1958 г.— Первое пневматическое сооружение в Евро¬
пе — павильон ПАНАМ на Брюссельской Все¬
мирной выставке.
1959 г.— Первое воздухоопорное здание в СССР — сфе¬
рический купол диаметром 36 м.
1960 г.— Первое произведение пневматической архитек¬
туры — двухслойный воздухоопорный павильон
передвижной выставки (В. Ланди, США).
1964 г.— Э. Линк (США) разработал конструкцию пер¬
вого подводного дома, в котором два акванавта
пробыли 49 ч на глубине 132 м.
1965 г.— Изобретение технологии бетонирования купо¬
лов на надувной опалубке (Д. Бини, Италия).
1970 г.— Массовое (более 20 единиц) использование
пневматических выставочных павильонов на
ЭКСПО-70.
1.2. РАЗНОВИДНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ
ОБОЛОЧЕК
Пневматические строительные конструкции можно
разделить на два типа (табл. 1.1):
воздухоопорные, как бы опирающиеся на воздух, за¬
полняющий полезный объем здания и сжатый в очень
небольшой степени (до тысячных долей атмосферы) до-
23

Таблица 1.1. Классификация пневматических строительных
конструкций
Воздухо
линзы
(подушки)
статочной лишь для того, чтобы противостоять действию
внешних нагрузок без существенного изменения формы;
возд у хоне сотые, сопротивление несущих элементов
которых (стойки, балки, арки, панели) сжатию и изгибу
обеспечивается сильно сжатым воздухом (от десятых
долей ат для пневмопанелей до целых ат для пневмо¬
стержней), заключенным в самих конструктивных эле¬
ментах.
Воздухонесомые конструкции заметного распрост¬
ранения не получили. В СССР насчитывается несколько
экспериментальных объектов. За рубежом серийный их
выпуск также не организован, несмотря на попытки
многих фирм. Это объясняется их недостатками: ограни-
24

опорные
усиленные канатами или сетями
однопролетные
многопролетные
Впздухонесомые
стержни
ортотропные
изотропные
ценностью пролетов, высоким давлением в оболочках,
трудностью обеспечения герметизации, повышенными
требованиями к материалам, высокой стоимостью.
К воздухоопорным конструкциям следует отнести и
такую их разновидность, как пневмолинзы (или пневмо¬
подушки). 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 рабо¬
те воздухоопорных конструкций.
Оболочки воздухоопорных зданий (рис. 1.9—1.11),
как правило, однослойные. Очень редко встречаются
двухслойные, принципиально возможны и многослой-
25

а
26

г
Рис. 1.9. Оболочки в виде
простых поверхностей вра¬
щения
а — сферическая; б —параболи¬
ческая; в — тороидальная; г —
коническая
27

Рис. 1.10. Оболочки, составленные различными поверхностями вра¬
щения
а — сфера + цилиндр + сфера; б — цилиндр + цилиндр; в — сферы + цилиндры;
г — сферы + цилиндры + торы; д — эллипсоид + эллипсоид
29

Рис. 1.11. Оболочки со сложной поверхностью
ные. Устойчивость1 двухслойных оболочек, не связан¬
ных между собой, обеспечивается разностью давлений
воздуха для каждого слоя. Для внешней оболочки, под- 11 При изложении вопросов формообразования и расчета пнев¬
матических оболочек приходится применять термин «устойчивость»,
в который вкладывается иной смысл, нежели тот, который имеет в
виду классическая теория оболочек из жестких материалов. «Устой¬
чивость» мягкой оболочки понимается как «незыблемость», «не¬
склонность к колебательным движениям», как ее способность про¬
тивостоять действию внешних нагрузок без существенных изменений
своей формы. При этом существенными считаются такие нагрузки,
которые приводят к необходимости корректировки расчетной схемы
оболочки либо недопустимы по условиям эксплуатации сооружения.
В этом смысле термин «устойчивость» применяется и в зарубежной
технической литературе по пневматическим конструкциям: «Stabi¬
lity» (англ.), «Stabilitat» (нем.), «Stabilite» (фр.).
30

верженной действию ветра и снега, эта разность боль¬
ше, чем для внутренней, несущей только свою массу.
Воздухоопорные оболочки (в том числе линзы) час¬
то имеют усиление в виде канатов (тросов, лент) или
тросовых сетей. Это своего рода «мягкий каркас», наз¬
начение которого — принять на себя значительную часть
растягивающих усилий. Мягкий каркас позволяет уве¬
личить пролеты оболочек, не повышая требований к
прочности материалов. Пневмостержневые конструкции
(рис. 1.12) могут быть линейными, плоскими и простран¬
ственными. Простейший линейный элемент — прямой
пневмостержень, который в зависимости от характера
статической работы считается балкой или стойкой. При
изломах оси пневмостержень образует раму, при искрив¬
лении— арку или кольцо (тор).
Ряд соединенных пневмобалок образует конструктив-
но-ортотропные плоские панели, из которых можно со¬
бирать складчатые покрытия. Пространственные пнев¬
мопанели (купола, своды, складки) можно формиро¬
вать, соединяя линейные элементы — стойки, арки, рамы
(рис. 1.13). Ряд торов образует цилиндрические соору¬
жения башенного типа или купола — конические или
шлемовидные. Две оболочки, соединенные множеством
точечных связей, образуют пневмоматы. Именно эта
система, «эйрмат», применялась для изготовления на¬
дувных самолетов.
Комбинированные пневматические сооружения обла¬
дают свойствами воздухоопорных и воздухонесомых
конструкций (рис. 1.14).
1.3. ОСОБЕННОСТИ ВОЗДУХООПОРНЫХ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Воздухоопорные сооружения — строительные конст¬
рукции особого типа. В отличие от обычных конструк¬
ций, устойчивость которых обеспечивается жесткостью
применяемых материалов, они требуют, помимо стати¬
ческих конструктивных элементов, еще и механизмов —
воздухонагнетательных установок.
Воздухоопорное здание недостаточно изготовить и
смонтировать. Оно существует как строительная конст¬
рукция, если работает система его жизнеобеспечения, по¬
стоянно или периодически снабжающая несущие элемен¬
ты воздухом, сжатым до заданной степени.
Хотя в каждом современном здании имеются меха-
31

а
~б
в
г
Рис. 1.12. Пневмостержневые кон¬
струкции
а —балка — мост пролетом 5,5 м; б —
стойка диаметром 4 м и высотой
31,5 м; в — арки высокого давления
пролетом 9,12 м; г — арки низкого дав¬
ления пролетом 50 м
32

низмы, без которых оно не может нормально функцио¬
нировать (лифты, насосы центрального отопления,эле¬
ктроприборы и т. п.), воздухоопорные здания без возду¬
хонагнетательной системы вообще существовать не мо¬
гут. Таким образом, если в обычных зданиях механизмы
являются хотя и необходимой, но все же принадлеж¬
ностью их, то основной механизм пневматических соору¬
жений — воздухонагнетательная установка — представ¬
ляет собой элемент конструкции. В первом случае вы¬
ход из строя механизмов приводит к функциональным
расстройствам, к утрате комфорта, во втором — к пре¬
кращению существования здания.
Пневматические сооружения уязвимы, как уязвим че- 22 За к. 540
33

а
б
Рис. 1.13. Пневмопа-
нельчые конструкции
а — цилиндрический свод
пролетом 12 м; б — купол
ловек по сравнению с каменной статуей. Они боятся
прекращения работы воздухонагнетательной установ¬
ки — своего сердца, боятся удара ножом, прикоснове¬
ния пламени. Будучи современным продуктом высокой
технической культуры производства, они требуют соот¬
ветственно высокой культуры эксплуатации, заключаю¬
щейся прежде всего в обеспечении надежности их функ¬
ционирования в условиях агрессивных действий со сто¬
роны природы или человека.
Основные достоинства воздухоопорных зданий —
чрезвычайно малый расход материалов, возможность
перекрытия больших пролетов, полное заводское изго¬
товление, быстрота монтажа и демонтажа, сравнитель¬
но низкая стоимость, транспортабельность, невозмож¬
ность обрушения, т. е. безопасность в аварийных ситуа-
34

Рис. 1.14. Комбинированные конструкции
вверху — пневмоарки пролетом 12 м, поддерживающие воздухоопорную обо¬
лочку во время открытия торца (СССР); внизу — воздухоопорное покрытие
8,6 м на стенках из пневмоторов (Япония)
2* Зак. 540
35

циях, светопроницаемость и радиопрозрачность ограж¬
дающих конструкций. Недостатки воздухоопорных
зданий — необходимость постоянно поддерживать избы¬
точное давление воздуха под оболочкой и трудности
создания микроклимата.
Рассмотрим некоторые характерные особенности
воздухоопорных зданий.
Малый расход материалов. Р. Б. Фуллеру, известно¬
му создателю геодезических куполов, принадлежит афо¬
ризм: «Если вы хотите установить степень совершенст¬
ва конструкции здания, взвесьте его». В этом смысле
воздухоопорные здания вне конкуренции. Ограждающая
конструкция — тончайшая (до 1/100 000 пролета) мяг¬
кая оболочка, а поддерживающей конструкции вовсе
нет. Воздух держит все сооружение.
Если ввести понятие «объемная масса сооружения»,
кг/м3, то получим следующие сравнительные данные:
Крупноблочный двухэтажный жилой дом 650
Промышленное здание из сборного желе¬
зобетона 250
Деревометаллическое сборное каркасное
здание 150—200
Контейнеры и передвижные домики из тра¬
диционных материалов (дерево, сталь) . . 60—Ш0
То же, из алюминия и пенопласта .... 30
Временные деревянные постройки (сараи) 20—50
Большепролетные купола и своды из лег¬
ких сплавов и пластмасс 5—10
Брезентовые большепролетные палатки . 3—5
Оболочки зданий воздухоопорного типа
без оборудования 0,2—0,4
То же, с оборудованием и анкерами . . 0,5—1
Транспортабельность воздухоопорных зданий исклю¬
чительно высока. Ее можно охарактеризовать отношени¬
ем строительного объема здания к его объему в транс¬
портном состоянии:
Промышленные здания из сборного желе¬
зобетона 3
Сборные и передвижные дома ..... 7
Пространственные конструкции из легких
материалов 15—30
Здания воздухоопорного типа ..... 1500—2500
36

Возможность перекрытия больших пролетов. Если
бы избыточное давление воздуха под оболочкой по раз¬
меру и направлению полностью соответствовало внеш¬
ней нагрузке, то оболочка не испытывала бы никаких
напряжений, являясь лишь диафрагмой, отделяющей
внутреннюю среду от внешней. Пролет таких оболочек
не имел бы пределов. Вероятно, именно такое представ¬
ление и дает некоторым авторам основание считать
размеры воздухоопорных сооружений неограниченными.
Однако такого идеального равновесия в реальных ус¬
ловиях быть не может. Давление воздуха под оболоч¬
кой всегда постоянно, равномерно и нормально к ее
поверхности, но внешние нагрузки (ветер, снег и др.)
непостоянны, неравномерны и не всегда направлены
по нормалям. Поэтому нагрузки, действующие на реаль¬
ное сооружение, изображаются суммарной эпюрой
(рис. 1.15), направленной, как правило, от контура обо¬
лочки. Они деформируют оболочку и вызывают в ней
Рис. 1.15. Эпюры нагрузок на воздухоопорные оболочки
а — внутреннее давление воздуха р; б — давление ветра q\ в — снеговая на¬
грузка рс; г — равнодействующая p-Yq\ д — равнодействующая Р+Р с‘< е —
ривнодействуюшая р + q + р с
37

растягивающие усилия, которые НС могут не зависеть
от размеров сооружения. Пролеты, перекрываемые
воздухоопорными оболочками, зависят от прочности ма¬
териалов. Современные материалы позволяют делать
купола диаметром до 75 м, однако при применении уси¬
ливающих канатов и тросовых сеток, воспринимающих
основные растягивающие усилия, пролеты можно уве¬
личить до нескольких сотен метров. Достаточно точное
(возможно, даже с помощью счетно-решающих уст¬
ройств) регулирование избыточного давления воздуха в
зависимости от изменения комбинации внешних нагру¬
зок, а также применение сверхпрочных материалов поз¬
волят строить воздухоопорные оболочки таких разме¬
ров, которые будут измеряться километрами.
Полное заводское изготовление. Воздухоопорное зда¬
ние поступает от завода-изготовителя на место установ¬
ки полностью укомплектованным и не требует никаких
строительных работ, кроме планировки монтажной пло¬
щадки (если это необходимо) и постановки анкеров
или устройства фундамента. Заводы могли бы иметь
набор сооружений стандартных размеров и высылать
их заказчику вместе с запрашиваемым комплектующим
оборудованием: воздухонагнетательным, отопительным,
охлаждающим, противопожарным, дублирующим, стра¬
хующим и т. п.
Быстрота монтажа и демонтажа. Если не считать
времени, необходимого для расчистки и планировки пло¬
щадки, монтаж воздухоопорного здания требует нес¬
кольких часов. За это время выполняются разбивка кон¬
тура 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 бы¬
ла высота здания, все монтажные работы производятся
на уровне его основания (пола). Это в значительной
мере способствует быстроте монтажа и безопасности
производства работ.
Трудозатраты на монтаж колеблются в пределах
1,5—2,5 чел.-дн/100 м2; сборно-разборные здания [1.2]
при тех же примерно размерах (150—650 м2) монтиру¬
ют за 35—65 чел.-дн/100 м2, т. е. в 20 раз дольше.
Многооборачиваемость. Полное заводское изготовле¬
ние и быстрота монтажа способствуют многократности
использования сооружений. Это особенно важно в слу¬
38

чаях, когда сооружения являются инвентарем какой-
либо «кочующей» организации. Пневматические тепля¬
ки можно последовательно применять на ряде объектов
строительства. Зернохранилища или склады для сельс¬
кохозяйственной продукции можно сезонно использо¬
вать для хранения урожая на полях, железнодорожных
станциях и в других необорудованных местах. В страд¬
ную 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 кор¬
ты, театры, кино) могут быть на холодное время года
перекрыты оболочками, снимаемыми летом.
Светопроницаемость. Большинство современных ма¬
териалов для оболочек можно изготовлять с различной
степенью светопроницаемости. Они могут быть совер¬
шенно светонепроницаемыми или пропускать свет в та¬
кой степени, что световые проемы оказываются ненуж¬
ными. Естественная освещенность, соответствующая
нижнему пределу санитарных норм, обеспечивается, ес¬
ли из материалов с коэффициентом светопропускания
г Г>...()% наготавливают целиком всю оболочку. Менее
светопроницаемые оболочки требуют устройства свето¬
вых полос с суммарной площадью 10—20% общей пло¬
щади пола при использовании материала с т = 20...30%.
Помещения, перекрытые оболочками с высокой све¬
топроницаемостью, ночью можно освещать наружными
светильниками, что представляет определенные удобст¬
ва, так как исключает необходимость подвески прово¬
дов и осветительной арматуры к оболочке или установ¬
ку иод ней фонарных стоек.
CaihiotipoepaHHocTb. Возможно, что именно проницае¬
мость оболочек воздухоопорного типа для радиоволн
послужила толчком для их массового производства в
(ЛПА. С изготовления укрытий для радиолокационных
антенн и начала свою деятельность первая фирма по
производству пневматических конструкций «Бэрдэйр».
В настоящее время крупнейшие купола-обтекатели ан¬
тенн космической связи —в Бохуме и Райстинге (ФРГ),
в Андовере (США), в Ланньоне (Франция) имеют диа¬
метры соответственно 39, 49, 64 и 64 м.
Необходимо добавить, что снег или гололед, снижаю¬
щие радиопрозрачность укрытия, на пневматических
39

куполах отлагаются менее интенсивно, чем на куполах
жесткой конструкции.
Избыточное давление воздуха под оболочкой. Необ¬
ходимость постоянно поддерживать избыточное давле¬
ние воздуха требует непрерывной или периодической
подкачки воздуха. При этом затрудняются вход и вы¬
ход, въезд и выезд, требующие шлюзования или других
мер предотвращения утечки воздуха; в помещении воз¬
никают воздушные потоки типа сквозняков, шум от вен¬
тиляторов. В какой-то мере эти неприятные явления
можно смягчить: со сквозняками борются отклонением
струй нагнетаемого воздуха вверх, применяют глуши¬
тели шума вентиляторов, устраивают вращающиеся две¬
ри, шлюзы и др.
Входя в пневматическое сооружение (или спускаясь
на лифте), человек ощущает повышение давления воз¬
духа, которое можно сравнить с повышением атмосфер¬
ного давления, ощущаемого при перемещении из верх¬
них в нижние слои атмосферы. Связь между перепадом
высоты /г, м, и перепадом давления воздуха под оболоч¬
кой р (Па) может быть выражена формулой
h » 0,08р.
В воздухоопорных зданиях избыточное давление
обычно не превышает 250 Па, достигая в редких случа¬
ях 1000 Па. Из приведенной формулы следует, что избы¬
точному давлению 250 Па соответствует изменение вы¬
соты в 20 м. Это значит, что, входя в здание воздухо¬
опорного типа, человек подвергается такому же
повышению давления воздуха, как при спуске на лиф¬
те примерно с шестого этажа. Известно, что разница
давления в 10 кПа переносится легко даже без посте¬
пенного перехода, хотя она ощутима (соответствует раз¬
нице высот в 800 м). Перепады давления, которым че¬
ловек подвергается при входе в воздухоопорное здание,
им не ощущаются. Согласно справке НИИгигиены
им. Ф. Ф. Эрисмана, «...обычно наблюдаемые колебания
атмосферного давления в пределах 4—5 мм (550—
700 Па)1 в сутки... не оказывают существенного влияния
на организм человека...»
Малая толщина материала оболочки. Чем тоньше
стенка, ограждающая помещение от внешней среды, тем
трудней создать за ней климат, отличный от наружного. 11 Прим. авт.
40

Малая толщина оболочки служит первопричиной труд¬
ности обогрева воздухоопорного здания, появления кон¬
денсата и наледей.
Термическое сопротивление оболочки ничтожно. Эта
особенность заставляет решать задачу отопления осо¬
быми методами.
Оболочка малой толщины не в состоянии препятст¬
вовать перегреву воздуха под ней в результате инсоля¬
ции.
Несмотря на то, что перегрев считается злом мень¬
шим, нежели переохлаждение, бороться с ним труднее.
Капели от конденсата обычно не бывает, если обо¬
лочка не имеет участков с отрицательной кривизной.
Обильный конденсат (например, в покрытиях плава¬
тельных бассейнов) стекает на внутренний фартук.
Мерами борьбы с конденсатом являются укладка на
земляном полу пароизолирующей пленки, а также при¬
менение для оболочки материалов, слегка воздухопрони¬
цаемых. Последняя мера несколько парадоксальна: вы¬
ше указывалось, что материал оболочек должен быть
воздухонепроницаемым. Однако в свете требований вен¬
тиляции помещения, т. е. обеспечения определенной
кратности обмена воздуха, осуществляемой обычно через
специальные вентиляционные клапаны, возможность
удаления загрязненного воздуха через всю поверхность
оболочки выглядит рациональной, тем более, что при
этом решается проблема конденсата. Не исключено, что
материи с повышенной воздухопроницаемостью станут
основным материалом для оболочек плавательных бас¬
сейнов, которые, кстати, нуждаются в усиленной венти¬
ляции.
Сейсмостойкость. Никакие воздействия, кроме тех,
которые могут вызвать разрыв оболочки или прекраще¬
ние подачи воздуха, не могут причинить ей никакого
существенного вреда. Пневматические здания по приро¬
де своей сейсмостойки. То же можно сказать и об их
реакции на атомный взрыв. Представитель фирмы
«Бэрдэйр» Г. Рейтмейер писал [1.22]: «Ни одна пневма¬
тическая конструкция, равно как и любая другая, не
устоит в эпицентре атомного взрыва. Однако расчеты
показывают, что при большом удалении действие таких
факторов взрыва, как повышенное или пониженное
давление, ударная и воздушная волны, пневматические
сооружения выдерживают, тогда как эти же факторы
41

всегда деформируют или разрушают обычные конст¬
рукции».
Долговечность пневматических конструкций опреде¬
ляется долговечностью материала оболочек. Обычно она
не превышает 10 лет. Срок службы остальных элемен¬
тов пневматического сооружения: воздухонагнетатель¬
ных и отопительных установок, каркасов, шлюзов, ан¬
керов, фундаментов, усиливающих канатов и др., стои¬
мость которых приблизительно равна стоимости оболоч¬
ки, значительно выше. Этого нельзя не учитывать при
экономических сопоставлениях с традиционными конст¬
рукциями.
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.
1.4. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ. ЭКОНОМИКА
В мировой строительной практике пневматические
сооружения очень быстро завоевывают всеобщее приз¬
нание. Известно много примеров эффективного их ис¬
пользования в промышленном, сельскохозяйственном,
гражданском и гидротехническом строительстве.
Однако, несмотря на энтузиазм, охватывающий по¬
рой проповедников «пневматического образа жизни»,
нельзя не признать, что пневматическим конструкциям
в целом принадлежит весьма скромное место в титуль¬
ном списке возводимых сооружений. В этом нет ничего
неожиданного. Пневматические строительные конструк¬
ции никогда и никем серьезно не рассматривались как
заменители традиционных сооружений. В лучшем слу¬
чае они считались конкурентоспособными лишь в огра¬
ниченных сферах строительства.
Никто не юомневается в том, что каменый дом луч¬
ше тканевого. Но и тканевый дом в свою очередь лучше,
чем ничего. Поэтому такие качества пневматических со¬
оружений, как быстрота монтажа, малая масса и малый
транспортный объем (т. е. высокая мобильность, транс¬
портабельность) определяют область их успешной кон¬
куренции с традиционными постройками.
В случаях срочной необходимости иметь крышу над
головой, временной замены капитальных зданий, необ¬
42

ходимости частых перемещений сооружений (мобильные
здания)—пневматические сооружения незаменимы.
Пневматические сооружения (ПС) могут соперни¬
чать со зданиями капитального типа из традиционных
материалов (дерева, камня, бетона, металла) только в
условиях, когда время, отведенное на строительство, из¬
меряется часами (сутками) или когда заранее извест¬
но, что срок функционирования сооружения на данной
площадке непродолжителен.
Область их применения определяется возможностя¬
ми наиболее полного использования всех преимуществ
ПС перед капитальными сооружениями: полного завод¬
ского изготовления, высокой транспортабельности, бы¬
строты возведения, многооборачиваемости, сейсмостой¬
кости и т. п. Сравнение с традиционными конструкция¬
ми по другим показателям: долговечности, независи¬
мости 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 сооруже¬
ний полевого типа, быстро монтируемых на необжитых
площадках удаленных районов страны. Однако сегод¬
ня уже много воздухоопорных зданий постоянного на¬
значения.
Особенности зданий воздухоопорного типа, подтвер¬
жденные отечественным и зарубежным опытом, позво¬
ляют определить направления наиболее эффективного их
использования (рис. 1.16):
а) склады и хранилища: промышленной продукции
и сырья, сельскохозяйственных продуктов, кормов и
удобрений, строительных материалов, оборудования,
поступающего на строительные площадки, воды и жид¬
кого топлива;
б) временные сооружения: выставочные, культурно-
просветительные (лекционные залы, клубы), торговые,
зрелищные (театры, кино, цирки), питания (кафе, сто¬
ловые, рестораны), производственные, медицинские, раз¬
личного назначения при стихийных бедствиях, катаст¬
рофах, военных действиях и т. п.;
в) мобильные здания: станции оперативного обслу¬
живания техники, киностудии, госпитали и медпункты,
выставки, кинотеатры и клубы;
г) покрытия спортивных сооружений: над теннисны-
43

а 1 в
б I г
Рис. 1.16. Примеры применения воздухоопорных зданий складов ц
промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве
а — выставочные павильоны; б — склад; в —рклады на пирсах; г — зерносклад
44

ми кортами, рингами, помостами, игровыми площадка¬
ми, плавательными бассейнами, беговыми и ледяными
дорожками, легкоатлетическими секторами, хоккейны¬
ми полями, конноспортивными манежами и стадионами;
д) стационарные производственные помещения: це¬
хи, мастерские, гаражи, ангары, лаборатории др.;
е) сооружения специального назначения: обтекатели
антенн радиолокаторов, надувные антенны, теплицы,
оранжереи;
ж) производство строительных работ: подъемники
для монтажа пространственных конструкций (куполов,
сводов, складок), тепляки для зимних строительно-мон¬
тажных работ, опалубка для конструкций из бетона и
напыляемых пластмасс;
з) испытание строительных конструкций: нагружаю¬
щие приспособления для элементов пространственных
конструкций.
Согласно американским данным [1.12], 30% возду¬
хоопорных зданий служит для целей рекреации (спорт,
отдых, развлечения), 30%—для нужд промышленности,
Таблица 1.2. Использование воздухоопорных зданий
Назначение здания
ФРГ [1.17]
ЧССР,
% [1.10]
США,
%
[1.25]
шт.
%
Складские помещения
242
69,1
76
50
Теннисные корты
30
8,6)
Спортивные залы
9
2,6
4
40
Плавательные бассейны
7
2 J
Выставочные залы
21
6
4'
Лаборатории и испытательные
14
4
—
станции
Строительство
6
1,7
8
10
Торговые помещения
5
1,4
—
Сборочные цехи
4
1,2
—
Сельскохозяйственные помещения
—
—
5
Разные
12
3,4
3
Итого I 350 | 100 | 100 | 100
Примечание. Сведения по ЧССР подсчитаны по 30- тыс. м2
полезной площади воздухоопорных зданий.
46

30% используется для государственных и военных це¬
лей, 10%—для выставок и пр. Данные по ФРГ, ЧССР
и США приведены в табл. 1.2.
Область применения временных воздухоопорных зда¬
ний (исходя из продукции Ангренского завода пневмати¬
ческих конструкций) определена Инструкцией СН
497—77 [4.7].
Специфика технико-экономических вопросов, возни¬
кающих при оценке выгодности применения воздухоопор¬
ных зданий, не дает возможности прямого сопоставле¬
ния их стоимости со стоимостью капитальных или даже
сборных и сборно-разборных сооружений. Наслоение та¬
ких частностей, как долговечность, эксплуатационные
расходы, оборачиваемость, транспортные расходы, ком¬
форт и т. д. сильно осложняет экономический анализ.
Отпускная цена комплекта серийно выпускаемых оте¬
чественной промышленностью воздухоопорных зданий
типа А-18-Ц размерами 48X18X9 м равна 43,9 тыс. руб.
[1.7]. Она складывается из следующих позиций
(табл. 1.3). Удельные стоимости: комплекта 51 р/м2 и
7,9 р/м3, оболочки 34,3 р/м2 и 5,3 р/м3 [1.5].
Таблица 1.3. Стоимость элементов воздухоопорного
здания А-18-Ц
Стоимость
Элемент здания
тыс. р
Оболочка
29,5
67,3
Шлюз 8,5X3,2X4,1 м
7
15,9
Электровентиляторы Ц4-70-№ 5 по 2,2 кВт,
0,6
1,4
3 шт.
Теплогенераторы ТГ-2,5 по 4 кВт, 2 шт.
4
9,1
Резервная электростанция Э-8р
2
4,5
Автоматика, проводка, светильники (3 кВт)
0,8
1,8.
Итого | 43,9 | 100
Стоимость комплекта воздухоопорных зданий по дан¬
ным американской фирмы «Эйр-тех» колеблется в зави¬
симости от их размеров от 15 до 30 долл/м2 [1.13]. Кри¬
вые этой зависимости (рис. 1.17) наглядно иллюстри¬
руют замечательную экономическую особенность пнев¬
матических конструкций: удельная их стоимость падает с
увеличением пролета. В комплект сооружений фирмы
47

Рис. 1.17. Стоимость воздухоопорных зданий фирмы «Эйр-Тех»
«Эйр-тех» кроме оболочки входят электровентиляторы с
моторами, мягкие воздуховоды, анкера, тросы, шлюз
1,8X2,4 м для вилочного подъемника, шлюз для персо¬
нала 0,9X2 м, автоматически действующий аварийный
генератор, набор ремонтного материала, манометр. Вклю¬
чение в комплект здания отопительной установки повы¬
шает его стоимость примерно на 35%. Стоимость уни¬
кальных большепролетных оболочек из долговечного и
огнестойкого материала (стеклоткань, покрытая тефло¬
ном) с усиливающей тросовой сетью значительно выше.
Отражается на стоимости и вид синтетического волокна
силовой основы материала.
Если основным комплектом воздухоопорного здания
считать оболочку + металлоконструкции шлюзов и анке¬
ров + вентиляторную установку, то относительная стои¬
мость перечисленных компонентов составит соответст¬
венно 70—80; 15—20; 5—10%.
Стоимость дополнительного оборудования по отноше¬
нию к стоимости основного комплекта, принимаемой за
100%, составляет: отопительных установок — 20—35%;
каркасов, поддерживающих оболочку на время ввода и
вывода .крупногабаритной техники,— до 100%.
Эксплуатационные расходы складываются из стоимо¬
сти электроэнергии, затрачиваемой на круглосуточное
48

\
поддержание избыточного давления воздуха иод оболоч¬
кой, и расхода топлива для обогрева помещения в рабо¬
чий часы холодного времени года. В первом случае при
устанавливаемой мощности вентиляторной установки око¬
ло 4 кВт годовой расход составит несколько сотен руб¬
лей. Во втором случае подсчет производится в зависимо¬
сти от числа рабочих часов в году, часового расхода и
стоимости 'применяемого топлива. Расходы на отопление
составляют несколько тысяч руб. в год.
Ценообразование оболочки — наиболее дорогой части
здания — наглядно прослеживается по данным табл. 1.4.
Таблица 1.4. Калькуляция стоимости оболочки
Статья расхода
Формула расхода
%
Материалы
А
36—38
Основная зарплата
Б
20—21
Цеховые расходы
0,88Б
18—19
Общезаводские расходы
0,4.9Б
10—11
Заводская себестоимость
А+2..37Б
86
Внепроизводственные расходы
0,02(А+2,37Б)
2
Полная себестоимость
1 „ Q2 А+2,4i2 Б
88
Премии
0,01 (1.02А+2,42Б)
1
Накопления
0,13(1,02А+2,42Б)
11
Отпускная цена
1Л'6А+2,75Б
100
Резкого снижения стоимости материалов (А) в бли¬
жайшие годы не ожидается. Но трудозатраты могут быть
существенно снижены благодаря освоению производства
и рационализации конструкции.
Например, швы оболочек, изготовляемых заводами,
до сих пор делаются клеено-шитыми. Замена этих весь¬
ма трудоемких швов шитыми приведет к резкому сни¬
жению трудозатрат и к соответствующему падению на¬
числений на зарплату.
Подсчитано [Lin, что при общих трудозатратах на
изготовление серийно выпускаемой оболочки А-18-Ц
4600 чел.-ч 2000 расходуется на предварительную склей¬
ку швов, которые затем прошиваются. Исключение про¬
цесса склейки вместе с рационализацией технологиче¬
ской схемы изготовления позволит довести трудозатраты
19

до 1500 чел.-ч, т. е. снизить показатель Б расходов кг
зарплату втрое.
Трудно сравнивать экономические показатели Яоз-
духоопорных зданий с экономическими показателями
аналогичных сооружений из традиционных материалов,
не обладающих рядом преимуществ пневматических! со¬
оружений, которые могут не иметь стоимостного выраже¬
ния. Тем не менее приведем результаты подсчетов аме¬
риканских инженеров применительно к покрытию над
гимнастическим залом университета в Санта Клара, Ка¬
лифорния. Покрытие, смонтированное в 1975 г. (см.
табл. 2.1), обошлось в 445 тыс. долл. Если бы оно было
выполнено в традиционных конструкциях, то расходы
увеличились на 250 тыс. долл, с учетом более мощных
фундаментов и антисейсмических мероприятий. Покры¬
тие стадиона в Понтиаке — крупнейшая в мире пневма¬
тическая конструкция (см. табл. 2.1)—обошлось в
7,5 млн. долл, (из них оболочка, включая монтаж,—
2,7 млн. долл.), тогда как стоимость обычного покрытия
определена в 42 млн. долл. [1.15]. Общая стоимость ста¬
диона в Понтиаке на 804 000 зрителей с пневматическим
покрытием, которое легче покрытия из бетона, стали или
дерева в 10 раз (соответственно легче стены и фундамен¬
ты), составляет 55,7 млн. долл. В то же время деревян¬
ный «Суперкупол» в Н. Орлеане стоил 168 млн. долл,
при числе мест на 8400 меньше, а купол стадиона на
65 000 мест в Сиэтле обошелся в 70 млн. долл.
Глава 2
ФОРМЫ И КОНСТРУКЦИИ
ВОЗДУХООПОРНЫХ ЗДАНИИ
2.1. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОБОЛОЧЕК
Формы мягких оболочек, особенно пневматических,
разнообразны, но далеко не произвольны. Если, например,
вылепить из глины макет оболочки сооружения такой
формы, которая отвечает замыслу архитектора, покрыть
ее узкими полосами мягкого материала, которые рас¬
кроить 'без остатка и склеить, то не будет никакой уве¬
ренности в том, что получившаяся мягкая копия при на-
50

першении ее воздухом повторит формы оригинала. Не
исключено, что ее поверхность местами сморщится, ме¬
стами «выпрет» наружу, и примет вид, не соответствую¬
щий, задуманному. В этом ярче всего проявляется то
«своенравие» пневматических конструкций, о котором ча¬
сто говорят, проводя антропологические параллели.
«Нрав» оболочки требует, чтобы ее форма соответствова¬
ла наибольшему объему. Как это ни парадоксально, но
часто увеличение объема оболочки сопровождается смор¬
щиванием определенных участков, т. е. сокращением ее
Рис. 2.1. Оболочка зерносклада с морщинами, образовавшимися в
результате сужения ее диаметра при наполнении воздухом
вверху — фото с натуры; внизу — разрезы
/ — проектный; !2—фактический после наполнения воздухом
51

поперечных размеров (рис. 2.1). Сморщивание свиде¬
тельствует о том, что форма оболочки выбрана непра¬
вильно.
Поверхность мягкой оболочки под действием избыточ¬
ного давления *и внешних сил принимает единственно
возможную равновесную форму. Задача конструктора
(архитектора) — «угадать» эту форму. Решение затруд¬
няется еще и тем, что временные нагрузки меняют свои
размеры и направление. Поэтому единой формы, отве¬
чающей всем комбинациям нагрузки, быть не может.
Форма будет варьировать в некоторых пределах. Искус¬
ство конструктора проявится тогда, когда он, преду¬
смотрев влияние различных комбинаций нагрузок, най¬
дет такие очертания оболочки, при которых все нежела¬
тельные явления (складки, морщины, перекосы) про¬
явятся в наименьшей степени.
Идеальной формой пневматической оболочки можно
считать такую, у которой во всех точках возникают рав¬
ные натяжения в любом направлении. Такую поверх¬
ность при действии внутреннего давления воздуха без¬
ошибочно моделирует мыльная пленка, которая по при¬
роде своей не может не быть равнонапряженной. К тому
же она при минимальной поверхности охватывает макси¬
мальный объем. Тем не менее мыльную пленку можно
рассматривать только как первое приближение к иско¬
мой форме оболочки. Соображения получения желаемых
архитектурных объемов, решения ряда функциональных
задач, технологии изготовления оболочек заставляют от¬
ходить от идеальных форм.
Мыльные пленки дают единственное решение только
для одной заданной системы нагрузок. Используя
формы мыльной пленки, получают поверхность оболочки,
идеальную для восприятия усилий, вызываемых избы¬
точным давлением воздуха и в какой-то степени соб¬
ственной массой, но не совокупности всех нагрузок, для
которой мыльная пленка, естественно, имела бы другой
вид. Однако следует иметь в виду, что моделирование с
помощью мыльной пленки, хотя и не может отразить
влияния на форму оболочки каких-либо иных (кроме из¬
быточного давления и воздуха и собственной массы) си¬
ловых воздействий, все же приводит к правильным в
принципе формам. Несоответствие формы мыльной плен¬
ки изменчивой совокупности нагрузок отразится в нало¬
жении дополнительных усилий, а иногда и в изменении
52

фсфмы, вплоть до возникновения зон одноосных напря¬
жений с образованием морщин и складок на оболочке.
Мыльная пленка, как известно, отличается тем, что
напряжения в любой ее точке во всех направлениях оди¬
наковы и равны:
о = 2Н/р, (2.1)
где р — .внутреннее давление; Н—средняя кривизна поверхности
(см. гл. 4, п. 1).
Мыльная пленка образует минимальную поверхность
при заданной средней кривизне tf=const (заметим, что
Рис. 2.2. Тороидальные оболочки с осью вращения
Q — вертикальной; б — горизонтальной
53

для тентов — мягких оболочек, не подверженных внутрен¬
нему давлению, Н = 0). Аналогией с мыльной пленкой
воспользовался (проф. К. Ишии [2.13] при проектирова¬
нии оболочки с очень сложным планом (рис. 3.12), Его
метод сводится к следующему.
Если поверхность оболочки задана в виде z = f(xyy),
то дифференциальное уравнение мыльной пленки имеет
вид:
д z_ \2
У
д г д2 z
d2 у _
d х2 д х д у2
№ -
д z
д х
L
д z
d2z dz
d2z '
\ (AL
.у
т
д х
д х д у д у
ду\
I { dx
) ~
Э22
о
dz а2 2 \
ду _
д z
а2 г
дх2
X
ду дхду )
д х
ду
д х2
=0. (2.2)
Интегрирование этого уравнения при заданных гра¬
ничных условиях на контуре и стреле подъема оболочки
возможно только численньими -методами. Для этого диф¬
ференциальное уравнение превращается в конечно-раз¬
ностное и подвергается итерационной процедуре метода
Г аусса — Зайделя.
По мере отклонения поверхности оболочки от идеаль¬
ной состояние равнонап'ряженности нарушается. Однако
никакие последствия этих отклонений не должны приво¬
дить оболочку к предельным состояниям как по прочно¬
сти, так и по деформациям.
Повышение натяжений только в одном месте повысит
требования к прочности материала всей оболочки. Паде¬
ние натяжений до нуля хотя бы в одном направлении
приводит оболочку к одноосному напряженному состоя¬
нию и как к видимому признаку этого — к появлению
на ее поверхности складок, «морщин неудовольствия».
Окончательная форма 'пневматической оболочки мо¬
жет существенно отличаться от идеальной. Основным
критерием правильности формы оболочки является кар¬
тина распределения напряжений в характерных точках в
направлениях главных кривизн1 (будем считать, что они
совпадают с главными натяжениями). Удачной можно
считать такую форму, при которой в любой точке обо¬
лочки оба главных натяжения положительны и равны
между собой или мало отличаются друг от друга. Допу¬
стимо одно из главных натяжений иметь положительным
1 О главных кривизнах см. гл. 4, п. J.
54

при нулевом другом (отрицательных натяжений в мяг¬
кой оболочке физически быть не может). Нулевые натя¬
жения в лвух направлениях невозможны.
Второй критерий качества формы оболочки — техно¬
логический. Удобство и простота раскроя полотнищ, наи¬
меньшие отходы (обрезки) и в конечном счете экономия
материала — факторы немаловажные. При проектирова¬
нии оболочек стараются найти форму, удовлетворяющую
обоим критериям.
Поскольку 'мягкие оболочки под действием изменяю¬
щихся нагрузок претерпевают деформации изгиба, ча¬
стично растяжения и меняют свою геометрию в довольно
широких пределах, то естественно, что идеальная форма
оболочки может быть только такой, которая соответству¬
ет какой-то одной комбинации нагрузок. В любом ином
случае приходится считаться с возможностью возникно¬
вения складок. Ввиду такой неопределенности задачи на¬
хождения оптимальной формы воздухоопорной оболочки
можно рекомендовать следующее правило: принимать в
расчет только постоянные нагрузки (главным образом из¬
быточное давление воздуха), мирясь с тем, что при дей¬
ствии временных нагрузок (ветра, снега) возможно вре¬
менное образование складок.
Практикой проектирования и изготовления оболочек
зданий воздухоопорного типа отработан ряд простых
форм, рассматриваемых ниже.
Сферические оболочки — естественные и наиболее со¬
вершенные формы. Относительная высота H/R сфериче¬
ского купола определяется функциональными требова¬
ниями. При этом учитывают, что купола высотой более
3Д своего диаметра становятся динамически неустойчи¬
выми 'под действием ветра и входят в режим автоколе¬
баний, а очень пологие оболочки испытывают повышен¬
ное натяжение. Полусферический купол — оболочка
наименьшего радиуса, а следовательно, испытывает наи¬
меньшие усилия от избыточного давления. При расчете
только на него купол высотой Н ж 0,2881 будет отличать¬
ся наименьшим весом.
Цилиндрические оболочки — наиболее распространен¬
ные типы. Стабильность формы цилиндрических оболо¬
чек при боковом ветре несколько ниже, чем у сфериче¬
ских. Поэтому высота цилиндрических оболочек более
2/з пролета не рекомендуется. Минимальные усилия в
оболочке от действия избыточного давления воздуха бу¬
55

дут также при относительной высоте Н/1={/2. Мини¬
мальный вес — при #// ^ 0,329.
Цилиндрические оболочки используются в комбинации
с оболочками других форм, закрывающими их торец. При
сравнительно небольших пролетах оболочек возможно
устройство плоских торцов жесткой конструкции. Пло¬
ские торцы из мягких материалов применяются в исклю¬
чительных случаях, так как вблизи шва сопряжения пло¬
ской и цилиндрической поверхности образуются очень за¬
метные складки.
Типично завершение цилиндрической оболочки сфе¬
рой. Однако здесь усматриваются два недостатка: скачок
кольцевых усилий на границе сопряжения цилиндриче¬
ской поверхности со сферической и некоторая потеря
полезной площади в связи с округлостью плана.
Тороидальные оболочки в ряде случаев приводят к
удачным во многих отношениях формам. В отличие от
цилиндрических они по всей поверхности не имеют скач¬
ков напряжений. При горизонтальном расположении оси
вращения тора (рис. 2.2) оболочку образует тороидаль¬
ный сегмент, который в зависимости от положения секу¬
щей плоскости образует ряд различных контурных ли¬
ний, от овала до восьмерки.
При вертикальном положении оси вращения (рис. 2.2)
тороидальная оболочка либо образует купол с вмятой
вершиной, либо становится похожей на цилиндрическую,
отличаясь от нее искривленной по дуге окружности про¬
дольной осью. Она может быть замкнутой (полный тор),
змеевидной или входить в состав комбинированных обо¬
лочек.
Оболочки вращения весьма разнообразны. Однако
их образующая не может быть произвольной. Она долж¬
на быть плавной и не иметь угловых точек. При ее из¬
ломе наружу (рис. 2.3) на линии сопряжения возника¬
ют морщины, так как равнодействующая сил Т{ и Г2
натяжения смежных участков оболочки не уравнове¬
шивается внутренним давлением воздуха. При изломе
внутрь оболочка по линии сопряжения оказывается пе¬
ренапряженной и требует постановки разгружающего
каната.
Формула Лапласа, выражающая условие равновесия
оболочки под действием нормальной нагрузки р, может
быть записана как
56

а
8
А
Рис. 2.3. Оболочки вращения с изломами образующей
а — положительным; б — отрицательным; в — переменной кривизны
T2 = pR2 (1-Л./2Я0, (2.3)
где Ri — радиус кривизны меридиана в рассматриваемой точке;
R2 — 'второй главный радиус кривизны в этой же точке.
Отсюда следует вывод, очень важный для решения
задачи о форме пневматической оболочки. Отрицатель¬
ная величина выражения в скобках свидетельствует о
том, что при данной форме оболочки кольцевые усилия
перестают быть растягивающими, и вдоль меридианов
образуются складки материала. Во избежание этого
меридиональная линия должна удовлетворять условию
2R1>R2. (2.4)
Это соотношение применительно к оболочкам из не¬
растяжимых материалов было установлено С. Финстер-
вальдером еще в 1899 г. f2.12], а затем уточнено
С. А. Алексеевым [4.1] с учетом деформаций. Ф. Отто
[4.28] предложил следующий способ простого графи¬
ческого анализа образующей кривой оболочек враще¬
ния. На рис. 2. 3, в нанесена произвольная меридио¬
нальная линия АВ оболочки вращения и три характер¬
ные точки на ней (Рь Р2 и Р3). Радиусы кривизны Ri в
этих точках равны соответственно: С\Рь С2Р2 и С3Р3, а
радиусы кривизны Р2 — 0\Рь 02Р2 и 03Р3. В точке Р\
57

условие (2.4) выполняется. В точке Р3 не выполняется.
Точку Р2 (где 2R\ = R2) следует считать границей меж¬
ду допустимой и недопустимой кривизнами меридио¬
нальной линии. Ниже точки Р2 должны появляться ме¬
ридиональные складки. Примером отклонения от этого
условия может служить оболочка, изображенная на
рис. 2.1, а, где видны складки, идущие от низа оболоч¬
ки до того уровня, где условие (2.4) входит в силу.
Интересно по схеме рис. 2.1,6, изображающей измерен¬
ные контуры этого сооружения, проследить, как сама
оболочка исправляет ошибку раскроя. Сравнение :ппо-
ектной и действительной форм оболочки показывает, что
радиус кривизны меридиональной линии нижней части
оболочки в результате образования складок увеличил¬
ся до приемлемых по условию (2.4) соотношений. При
этом высота купола возросла на 3 м. Диаметр оболочки
уменьшился только на 8% (с 22,8 до 21 м), но объем
ее заметно вырос.
Известно, что оболочка вращения может быть нео¬
граниченно вытянутой вдоль оси, но не сильно пологой
(при вертикальных касательных к меридиану у опор¬
ного контура). Предел ее (пологости выражает условие
(2.4), откуда можно найти минимальный подъем обо¬
лочки.
Аналитическое выражение меридиана оболочки, ис¬
пытывающей под действием избыточного давления од¬
ноосное (только меридиональное)’ натяжение, можно
получить, подставив в условие (2.4) выражения радиу¬
сов кривизны из (4.4):
2 (I + г')а — гг" =0. (2.5)
Если эту оболочку считать эллипсоидом вращения, то.
как доказывает проф. С. А. Алексеев [4.2], наименьшее
отношение его полуосей составит ]/2/2 = 0,7071. Он же
показал, что возможен овалоид:
г/Ь = Е (ф, 45°) — \/2 F (ф, 45°); rjb = cos ф/j/T (2.6)
с соотношением полуосей со0,600.
Несколько иначе решал эту задачу проф. М. Кава-
гучи [2.14] в связи со строительством купола выста¬
вочного павильона па о. Окинава с использованием
пневматической опалубки. Он доказал возможность су¬
ществования одноосной оболочки:
d z/dr = г2/[/" гА0 — г4 , (2.7)
где г0 — радиус круга основания.
56

Отношение её (полуосей составляет:
V Я Г (3/4)
4 Г (5/4)
0,5991,
что практически совпадает с результатом решения
С. А. Алексеева.
Оболочки на прямоугольном плане характерны для
большинства зданий. Такие планы чаще всего перекры¬
вают цилиндрической оболочкой со сферическими торце¬
выми окончаниями (рис. 2.4,а). Раскрой очень прост:
цилиндр образуется прямы¬
ми полотнищами, сфера —
полотнищами, выкроенными
в виде разверток сфериче¬
ских треугольников. Другой
р аспростр анеиной фор мой
я в л я е тс я ц и л и н д р и ч е ск а я
оболочка с цилиндрически¬
ми торцами (рис. 2.4,6).
Раскрой еще проще: все по¬
лотнища прямые, отходы
минимальны. Однако недо¬
статок заключается в том,
что пересечения цилиндри¬
ческих поверхностей ;в углах
сооружения, особенно в
нижней его части, слишком
остры для того, чтобы со¬
хранять свою теоретическую
форму. Поперек ребер обра¬
зуются складки и морщины,
портящие вид сооружения
и свидетельствующие о не¬
благополучии в распреде¬
лении напряжений. Борясь с
этим явлением, прибегают к срезке углов в нижней час¬
ти (рис. 2.4, в). При этом, однако, усложняются раскрой
и изготовление оболочки.
Рис. 2.4. Формы оболочек на
прямоугольном плане
Оболочки на сложном плане ;мо>гут появиться либо в
результате приспособления к стесненной ситуации, ли¬
бо как воплощение своеобразного архитектурного за¬
мысла. Если сложный контур здания имеет хотя бы од¬
ну ось симметрии, проще всего оболочке придать фор¬
му поверхности вращения, образующая которой вычер-
59

чиваст этот контур на .плоскости основания. Получа¬
емые таким образом поверхности могут быть сопряже¬
ны и под углом. Однако возможны и совершенно произ¬
вольные контуры. План может лежать в разных уров¬
нях. Найти рациональный вид в таких сложных случаях
может помочь моделирование поверхности оболочки
мыльной или тонкой резиновой пленкой.
Рис. 2.5. Оболочки, усиленные сетками
а — экспериментальная теплица Ленинградского агрофизического НИИ; б —
оболочка фирмы «Эйр-Tex»; в — макет купола фирмы «Бэрдэйр»; г — павиль¬
он США на ЭКСПО-70 (интерьер)
60

2.2. ОБОЛОЧКИ, УСИЛЕННЫЕ КАНАТАМИ
И СЕТЯМИ
Размеры воздухоопорных зданий ограничены проч¬
ностью применяемых мягких материалов, каждому из
которых соответствуют свои пределы. При превышении
61

ИХ необходимо усиление оболочки системой разгружаю¬
щих канатов пли сеток.
Любая система нитей, плотно облегающих мягкую
оболочку, в той или иной степени препятствует ее сво¬
бодным деформациям под действием нагрузки. Доля
участия системы в статической работе сооружения оп¬
ределяется соотношением жесткостей при растяжении
(EF) оболочки и нитей, а также частотой расположе¬
ния нитей. Чем выше относительная жесткость нитей,
роль которых могут играть веревки, фалы, канаты из
синтетического и натурального волокна или стальные
тросы, тем меньшие усилия приходятся на долю собст¬
венно оболочки. Уменьшение шага нитей также снижа¬
ет роль оболочки в восприятии возникающих усилий.
Оболочки, усиленные сетями, можно разбить на три
группы.
1. Оболочки, покрытые сетью с частой (измеряемой
сантиметрами) ячеей. В этом случае форма сооружения
определяется раскроем сети, воспринимающей основ¬
ные усилия. Материал оболочки обеспечивает только
воздухонепроницаемость и поэтому может быть мало¬
прочным и низкомодульным. Сеть, первоначально пло¬
ская, облегает выпуклую оболочку, как сеть Чебышева,
вследствие изменения сетевых улов ячеек. Типичными
примерами оболочек этой группы могут служить тепли¬
цы из прозрачных полимерных пленок, покрытых сетя¬
ми типа рыболовных (рис. 2.5, а), 'Спроектированные и
смонтированные Ленинградским агрофизическим НИМ.
2. Оболочки, покрытые сетью с крупной (около 1 м)
ячеей. Форма сооружения определяется раскроем обо¬
лочки и соответственно связанной сетью. Оболочка вы¬
краивается гладкой, без учета расположения канатов.
Выпуклости между канатами образуются из-за мест¬
ных деформаций оболочки. Сеть не связана с оболоч¬
кой, и ее смещения относительно оболочки свободны.
Материал оболочки работает в пределах, ограниченных
канатами, однако возможно и совместное восприятие ос¬
новных усилий. Примером могут быть оболочки, изго¬
товляемые американской фирмой «Эйр-Tex» (рис. 2.5,6).
3. Оболочки, усиленные сетью с очень крупной (не¬
сколько метров) ячеей (рис. 2.5, в, г). При раскрое учи¬
тывается расположение канатов, связанных с оболочкой.
Смещения канатов, относительно оболочки возможны,
но ограничены. Основные растягивающие усилия в со-
62

Рис. 2.6. Планы расположения усиливающих канатов на пяти воз¬
духоопорных большепролетных покрытиях
а — павильон на ЭКСПО-70; б — спортзал в Джонсон-Сити; в — спортзал в
Санта Кларе; г — стадион в Сидар-Фоллсе; д — стадион в Понтиаке (все схе¬
мы в едином масштабе)
оружении воспринимают канаты. Материал оболочки
работает локально — в пределах ячеи. В качестве при¬
мера можно назвать серию воздухоопорных оболочек,
перекрывающих спортзалы (рис. 2.6). Подкрепление от¬
дельными канатами, не сплетенными в сеть, как пра¬
вило, связано с существенными формоизменениями обо¬
лочки, вызванными конструктивными и архитектурны-
ными мотивами. Общая 'поверхность сооружения рас¬
членяется канатами на ряд выпуклых поверхностей. При
этом резко выраженные выпуклости требуют специаль¬
ного раскроя оболочки. Расчетно-конструктивный эф¬
фект такого расчленения оболочки связан с уменьше¬
нием радиуса ее кривизны и соответствующим сниже¬
нием напряжений; архитектурный — с возросшими воз¬
можностями варьирования объемов и пластики фаса-
63

К4

а г
б_
в
Рис. 2.7. Оболочки, усиленные канатами
а — в — кольцевого направления; г — меридионального направления
дов и интерьеров. Наиболее простыми представителями
такой группы сооружений являются оболочки цилин¬
дрического типа, обтянутые кольцевыми канатами
(рис. 2.7, а — в). Поскольку в таких оболочках про¬
дольные усилия вдвое меньше кольцевых, а последние
почти полностью воспринимаются канатами, то это ме¬
роприятие в конечном счете приводит к двукратному
снижению максимальных расчетных усилий и соответ¬
ственному снижению прочностных требований к мате¬
риалу. Сфероподобные оболочки (рис. 2.7, г) обычно
усиливаются меридиональными канатами, принимаю¬
щими на себя усилия этого направления. В широтных
направлениях усилия резко падают в связи с умень¬
шением радиуса кривизны оболочки в горизонтальных
сечениях.
Эксперименты автора по усилению капроновыми фа¬
лами цилиндрической оболочки 40X20 м из армиро¬
ванной пленки (рис. 2.8,а) были продолжены по рас¬
ширенной методике В. А. Мешкуровым. Испытаниям
подверглись два сооружения — цилиндрическое разме¬
рами 12X6 м (рис. 2.8,6) и полусферическое диаметром
6 м (рис. 2.8, в).
Проектная разработка, сопровождавшаяся модели¬
рованием в масштабе 1 : 10, — покрытие катка размера¬
ми в плане 183X86 м при высоте 20 м выполнена
В. С. Поляковым [2.7]. Цилиндрическое сооружение
(рис. 2.8,г) усилено кольцевыми канатами с шагом 9 м.
Оболочке придана такая форма, что она напряжена
только в продольном направлении. Это дает возмож- 33 Зак. 540
65

а I в
б I г
Рис. 2.8. Оболочки, усиленные канатами. Эксперименты:
а —автора; б, в —В. А. Мешкурова; г —В. С. Полякова
ность использовать материалы с ярко выраженной
ортогональной анизотропией.
Усиление мягких оболочек канатами — эффективный
путь решения проблемы больших пролетов пневматиче¬
ских сооружений. Предельный пролет оболочки без уси¬
ления определяется прочностью ее материала. Достиг¬
нутые в настоящее время рекордные пролеты цилиндри¬
66

ческих оболочек 67 м (кегельбан в Осаке, Япония,
1966 г.) и сферических 73,4 м (каток в Форсса, Финлян¬
дия, 1972 г. и выставочный павильон в Минске, 1976 г.)
можно считать и предельными: они до сих пор не прев¬
зойдены (табл. 2.1, рис. 2.9). Дальнейшее увеличение
пролетов становится экономически нецелесообразным
вследствие роста стоимости высокопрочного материала.
Применение усиливающих канатов и сетей, стои¬
мость которых невысока, позволяет использовать срав¬
нительно малопрочные, недорогие материалы для обо¬
лочек. Пролет пневматических зданий этого типа еще
в 1972 г. достиг 100-метрового рубежа. В 1975 г. было
смонтировано покрытие стадиона в Сидар-Фоллсе и в
3* Зак. 540
67

Таблица 2.1. Воздухоопорные сооружения больших пролетов
к * а
о
0 = 0
S " О
0£«
* * s
0.4 5
a s
к
к
§
ВЖВ1
-HON ttOJ
СОСОН-СО^ООСО(М<0
lOt^COCOCOCOCOCOCO
O) irtcort со
OOlONfM^^C^rtlOrffNC^ ЮЮ 00
0 о' о CM (M CO —' —'— CO —•
0*0*00 0 000 0 oooooooooooo ooo
Ю 05 05
00 05 —' - -O -Tf О
СЧ'ФСЧОЭГ^СЧСОСЧСЧ
^ сч
05 со со сч
^ю - - - -—оюо^о счсчю
^ ч* т*< Ю СЧ СЧ СО СЧ Tt« со сч
сч
<4 о®ЛМ.Я. t<N«S«DO
iC4cococoioooooT#«05 05ooocor^.C4CNO
loSlOCOlOlONt^lOCON^COlO^COlOOO сч о
О — СО
00 05 со
О —1
1 G5 I
СО
1
О со
1 Н- 1
1 2
1 00 О
со —•
- -о о со 00
О 05 СЧ lO 00 сч
о> сч сч — — СЧ
£-
>. Л оЗ
а, ^ cd
х о
с- tj П
. оз .
л аса а ^
о
ч и с
сз >1 S
ш а. 1=3
я я
к я
Я S
►fl h Л
Ч сеч
о а. о
*
fcf Л*
CQ о. «=; ^ а ?h
о**£* оS о
g*g
Ok OL
с с
г>"»
^ ft А Л
OC4CD05O^C4C0rt<O0>C4’^4v0ipv0l^ ^
СОСОСОСО^^^^^СО<ОГ'-£-£-£>Г^:£' о i
05 05 05 05 05 05 05 О 05 05 О) 05 05 05 05 05 05 ^
^ С к
си к cj а я
< sao Я !о,и<<-> §< luu^ с |>-<
з*58и.§§о«з«зэ* **|и&ЭА«|%э
u £u&£|8§o|~u
Uh ’в' С С Л
сх к. **
3
к
к
О)
сЯ сЯ
я я *
CQ о 1°
03 м к сз
н о CJ Н
х ^ н
3 ^ a3 cj 2 я н 2
CQ >5 ^ ДCQ^UCQ
<и
о
-J ч
ixj <и
о
. g 2 е
S о о
щ Л® С R h
со сс О tc CJ
53 й
g 53
g о о
О 5; Ч
Я § О
о ZJ- О.
)о ^ гГ
5 н 2
Я о ^
*3 t* =с
rt я и
к я я
*з
я
О-
о
03 £ £ ^
я £ £ £ о
я я я fc я
я
я
я
03 к Я -Ц >U дз S
* н tf н о. о. а, н
о £ о я я * W
Л н лоооа
СП и сс С tr С С
я
о
С=1
<и о
3 °
§ 2
«а
я *я
я з
я д-
о. я
X
О о
•=4 Я
°ч
СП
СП 03
Q5 «
tD о.
8Я
а
я
о
о
о
Ok
н
68
Спортивный комплекс | Япония 1 » | Розетка

Рис. 2.9. Рекордные пролеты воздухоопорных зданий
I — без каркаса; • — с мягким каркасом
I выставка, <' 111Л; 2 —укрытие антенны, США; 3 — кегельбан, Япония; 4 —
ша. I И’ СССР; б каток, Япония; 6 — каток, Финляндия; 7 — зерно-
склад, СIIIА; выставка, США Япония; 9— эксперимент, Франция; 10 —
стадион, < ША; // стад США; 12 — выставка, СССР — Япония; 13 — вы¬
ставка, СССР
Понтиаке (США) с пролетами соответственно 129 и
1Г)8 м (рис. 2.10)
Проблема больших пролетов связана не только с
ион рогам и прочности материалов. Усилия, развиваю-
п обо,попке, за исят от ее формы (главным обра¬
зом от относительной высоты), давления воздуха под
ломкой, размера и характера распределения ветро-
- » I а I ши других нагрузок.
I еских зданий больших (пролетов про-
>рм, калы? оболочек становятся неприемлемыми.
II л пример, если для пролета 30 м высота 10—15 м ввер-
ч'твеппа, а порой функционально необходима,
; пролете 300 м высота 100—150 м оказывается
бессмысленной.
I1 задачу об оптимальной высоте на при-
ft оболочки, полагая, что полученные
| е выводы будут справедливы и для
опальных форм.
69

Если считать избыточное давление воздуха единст¬
венным фактором напряженного состояния оболочки, то
функция массы, как было показано выше, будет иметь
минимум при h ^0,288/.
Учет ветрового воздействия существенно влияет на
решение задачи. Хотя в настоящее время нет обобщен¬
ных данных об аэродинамике пневматических сооруже¬
ний и в общем виде задача пока не решена, качествен¬
ные следствия уменьшения высоты оболочки в основ¬
ном ясны:
1) интенсивность положительного давления ветра не¬
сколько снижается, что позволяет соответственно сни-
70

Рис. 2.10. Пологие оболочки покрытий спортивных сооружений
(США)
а — спортзал в Джонсон-Сити; б — спортзал в Санта Кларе; в — стадион в
Сидар-Фоллсе; г — стадион в Понтиаке
зить уровень избыточного давления воздуха иод обо¬
лочкой;
2) размеры зоны положительного давления ветра
существенно сокращаются, вследствие чего основным
силовым воздействием ветра на оболочку становится
отсос;
3) интенсивность отэицательного давления ветра
71

также снижается, что влечет за собой соответственное
уменьшение усилий в оболочке.
Таким образом, к уже отмеченному положительно¬
му следствию уменьшения высоты оболочки — сокраще¬
нию площади ее поверхности — добавляются еще три,
что отражается на дальнейшем снижении оптимальной
высоты оболочки.
Специалисты американской фирмы «Бэрдэйр [2.19]
считают, что область наименьших натяжений оболочки
лежит в пределах относительных высот от 10 до 30%.
Усилие при этом составляет около 70% усилия в полу¬
сферической оболочке. При дальнейшем снижении вы¬
соты оболочки зона активного давления ветра исчезает
совсем, и тогда внутреннее давление можно снизить до
уровня, необходимого лишь для поддержания оболочки
в штиль.
Одно из крупнейших пневматических сооружений —
павильон США на ЭКСПО-70 в Осаке пролетом 78 м
и высоте оболочки 7 м — было смонтировано на земля¬
ной насыпи высотой до 8 м (см. рис. 2.41, в). Поэтому
активная часть ветрового давления приходилась на на¬
сыпь, а на саму оболочку действовал только отсос. По
подсчетам одного из авторов этого проекта, Д. Гайгера,
в таких случаях оптимальная относительная высота обо¬
лочки может быть снижена до /г=(0,05 ... 0,07) /.
Сейчас отработан тип большепролетных (60—
200 м) пневматических сооружений отличающихся ма¬
лой (10—15%) относительной высотой, ромбической
сеткой стальных канатов с шагом 6—12 м и оболочкой
из стеклоткани, покрытой с обеих сторон ПВХ. Эта си¬
стема была проверена на ЭКСПО-70 и сейчас примене¬
на в США для четырех спортивных сооружений. Узлы
крепления канатов к их опорному кольцу показаны на
рис. 2.11.
Весьма существен рисунок расположения канатов
на поверхности пневматической оболочки. Желательно
(но не обязательно), чтобы основное направление ка¬
натов совпадало с траекториями наибольших усилий.
В цилиндрических оболочках, где кольцевые усилия зна¬
чительно больше продольных, главным направлением
канатов будет кольцевое. Однако ромбическая сетка,
несколько вытянутая в кольцевом направлении, способ¬
ствует снижению не только кольцевых, по и продольных
усилий. Оболочки на круговом плане, особенно сфсри-
72

Рис. 2.11. Узлы крепления канатов к опорному кольцу
а — д— см. подпись к рис. 2.6
ческие купола, где усилия любых направлений в любой
точке, как правило, почти равновелики, нуждаются в
равнопрочной во всех направлениях сетке, которая мо¬
жет быть геодезической для подъемистых куполов или
треугольной для пологих. Отдавая должное тектонике -и
красоте геодезической сетки, следует учесть преимущест¬
ва ромбической и треугольной систем: их про¬
стоту и непрерывность (от опоры к опоре)
канатов, неразрезно и плавно соединяющих
противолежащие точки опорного контура. Сле¬
дует отметить большую «поверхностную жесткость»
треугольной сетки, что играет определенную роль при
73

горизонтальных нагрузках, помогая материалу оболочки
противодействовать касательным усилиям. Расположе¬
ние тросов в виде сетки Чебышева или меридионально¬
широтное рекомендовано быть не может в связи с не¬
равномерным распределением усиливающих элементов
по поверхности оболочки.
Особо стоит вопрос об использовании материалов с
ярко выраженными признаками ортогональной антизо-
тропии. В этом случае имеет смысл такое расположение
канатов, при котором напряженное состояние оболочки
приобретает характер одноосного. Цилиндрические обо¬
лочки в этом случае становятся «гофрированными», а
сферические — «зонтичными».
Вопрос о размещении канатов по отношению к обо¬
лочке (над или под ней)' решается в зависимости от
технологических или конструктивных особенностей кон¬
кретного объекта. Верхнее расположение (рис. 2.12, в)
отличается простотой конструкции и непосредственной
передачей усилий сетке. В то же время сетка на поверх¬
ности сооружения задерживает снег, канаты находятся
под воздействием прямой солнечной радиации, что при
использовании синтетических материалов весьма неже¬
лательно. При нижнем расположении канатов
(рис. 2.12, а, б) эти недостатки устраняются, однако кон¬
струкция усложняется промежуточными соединитель¬
ными элементами (полотнищами, шнуровкой и т. «п.),
работающими в невыгодных условиях — на отрыв от
а
в
д
Ю
Рис. 2.12. Способы расположения уси¬
ливающих канатов по отношению к
оболочке
74

оболочки. Детали присоединения оболочки к канатам
показаны на рис. 2.13.
Роль сетей, обтягивающих мягкую оболочку воз¬
духоопорного типа, несколько отличается от роли кана¬
тов. Сети, как элементы усиления конструкции воздухо¬
опорного сооружения, не искажают формы оболочки,
приспосабливаются к ней и лишь при крупных разме¬
рах ячеек влияют на ее фактору и работают в обоих
главных направлениях.
Канаты, наоборот, часто используют, чтобы изме¬
нить формы оболочки в соответствии с архитектурным
замыслом или функциональными требованиями. Они,
как правило, разгружают оболочку частично, не осво¬
бождая ее полностью от восприятия усилий в некото¬
рых направлениях. Формируя объем сооружения, кана¬
ты обычно фиксируются на оболочке, деформируясь и
перемещаясь вместе с ней. Таким образом, канаты, об¬
тягивающие оболочку, можно рассматривать не только
как усиливающие, но и как формирующие элементы
пневматического сооружения.
Функции канатов как элементов сооружения, фор¬
мирующих оболочку, могут выполнять и мягкие диаф¬
рагмы из материала оболочек (рис. 2.14). Диафрагмы
с целью придания им жесткости в своей плоскости уси¬
ливают по нижней кромке трос-подбором, снабжают
оттяжками или доводят до пола. Диафрагмы повыша¬
ют стабильность оболочки, особенно при действии
горизонтальных (ветровых) нагрузок.
2.3. МНОГООПОРНЫЕ ОБОЛОЧКИ
Если задача перекрытия больших площадей, изме¬
ряемых гектарами, не включает в себя требование об
отсутствии промежуточных опор, то решение ее дости¬
гается установкой ряда вертикальных оттяжек, притя¬
гивающих оболочки к основанию. Получается своего
рода конструктивная инверсия железобетонного безба¬
лочного перекрытия, в котором роль жесткой плиты
играет мягкая оболочка, а сжатые стойки становятся
растянутыми.
Простейший пример — это круглая в плане оболоч¬
ка, притянутая к основанию в центре (рис. 2.15). На
непосредственное прикрепление оттяжки оболочка реа¬
гирует образованием воронки с морщинами, которые
75

Рис. 2.13. Детали присоединения оболочки к канатам
а — непосредственное; б — с помощью лент; в — с помощью неопренового по-
/ — усиливающий канат; 2 — алюминиевые пластинки; 3 — неопреновая поло¬
кромочный фал; 8 — шайба из кадмироваиной стали; 9 — нижняя лента; 10 —
пачок из ПВХ; 14 — люверс; 15 — найлоновая шнуровка; 16 — стальные кана-
оболочка; 20 — экструдированный алюминий; 21 — экструдированный неопрен;
76

г
гонажа; г — пересечение двух парных канатов
са; 4 — стальная пластинка; 5 —оболочка; 6 — стремянка; 7 — найлоновый
верхняя лента; 11 — нижний канат; 12 — верхний канат; 13 — защитный кол-
ты; 17 — алюминиевый башмак; 18 — наружная оболочка; 19 — внутренняя
22 — разрезанная труба
77

Рис. 2.14. Двухпролет¬
ные воздухоопорные обо¬
лочки с оттяжками и ди¬
афрагмами
1 — диафрагма; 2 — оттяж¬
ка; 3 — катенарный пояс;
4 — трос-подбор; 5 — эле¬
мент жесткости
Рис. 2.15. Круглый в плане
павильон с центральной от¬
тяжкой
а — вид сверху; б — интерьер
78

| можно убрать, соответст¬
венно выкроив воронку. Ес¬
ли воронку завершить тру¬
бой, идущей к полу,- то ре¬
шается задача сбора воды
и ее внутреннего отвода.
Продолжая аналогию с
классическими схемами пе¬
рекрытий, можно прийти к
более развитой системе —
«стойки — прогоны — бал¬
ки— плиты», в которой про¬
гонам уподобляются глав¬
ные канаты, идущие от от¬
тяжки к оттяжке, а бал¬
кам— второстепенные кана¬
ты, прикрепляемые к глав¬
ным. Могут быть и другие
схемы: кессонные, диаго¬
нальные и т. п. [2.1]. На
рис. 2.16 показаны схемы
таких оболочек, имеющих по
четыре внутренние опоры.
Они напоминают традици¬
онные схемы плоских по¬
крытий с той лишь разни¬
цей, что все их горизонталь¬
ные элементы (прогоны,
балки, плиты) криволиней¬
ны, над мягкими прогонами
и балками образуются водо¬
сборные ендовы, а над рас¬
тянутыми стойками — во-
Рис. 2.16. Варианты располо¬
жения канатов и оттяжек
многоопорных оболочек
1 — оттяжки; 2 — главные канаты;
3 — второстепенные канаты; 4 —
диагональные канаты; 5 — горизон¬
тали безбалочного покрытия (ус¬
ловно)
ронки, которые удобно ис¬
пользовать для внутреннего водоотвода. Все эти «балоч¬
ные» -системы вместе с оболочкой вспарушиваются под
давлением воздуха и, будучи конструкциями безмомент-
ными, испытывают только растяжение.
Первые успешные шаги в отечественной и зарубеж¬
ной практике монтажа воздухоопорных покрытий с
внутренними оттяжками и разгружающими канатами
были сделаны при строительстве теплиц, материалами
для которых служили недорогие прозрачные пленки и
стальная проволока (рис. 2.17). Дальнейшие попытки
79

Рис. 2.17. Многоопорные оболочки: двухпролетная, теплицы
а — общий вид; б — интерьгр; четырехопорная, Антиохского колледжа — в —>
общий вид; г — интерьер
касались общественных и жилых зданий. В течение
1970—1972 гг. преподаватели и студенты Антиокского
колледжа (США) разработали проект и изготовили
воздухоопорное здание площадью 1650 м2 (рис. 2.17,
в, г), предназначенное для занятий и отдыха студен¬
тов. Оболочка из стеклоткани, покрытой с обеих сторон
тефлоном (политетрафторэтиленом), имела 4 внутрен¬
ние оттяжки, 2 главных и 40 второстепенных канатов и
поддерживалась избыточным давлением воздуха 380 Па.
В мае 1973 г. в этом помещении предполагали провести
81

международную конференцию «Пневматические кои
струкции в системе образования». Чуть раньше там
же был смонтирован и заселен экспериментальный жи¬
лой дом такого же типа для молодой семьи. Результаты
эксперимента, к сожалению, неизвестны.
Иногда появляются проекты сблокированного в мно¬
гокупольный комплекс ряда специально выкроенных
(полусферических куполов с диафрагмами, разделяю¬
щими помещения. Оплошные пересекающиеся диафраг-
РазрезА-А
мы использовал японски ар¬
хитектор Ю. Мурата в
проекте поликлиматическо-
го рекреационного центра
[1.20], разделив ими здание
размерами 136X136 м на
четыре изолированных
квадранта с различными
влаготермическими режима¬
ми, например ледяной ка¬
ток и плавательный бассейн
(рис. 2.18,а).
Применение сетей и ка¬
натов в сочетании с оттяж¬
ками, заанкеренными в
грунт, позволяет перекры¬
вать пневматическими обо¬
лочками площади любых
размеров. Ограничение,
обусловленное прочностью
материала оболочки, ка¬
сается только расстояния
Рис. 2.18. Проекты большепролетных воздухоопорных покрытий
а — поликлиматического рекреационного центра, разделенного плоскими диа¬
фрагмами (Ю. Мурата); о —над г. Торонто (Т. Маклодж)
] — ледяной каток; 2 —- плавательный бассейн; 3 — раздевалки-душевые; 4 —
санузлы; 5 —сауна; 6 — ОУ; 7 —кафе; «—администрация; 9 — вход; 10 —
воздухозабор; 11 — воздуховоды; 12 — водосток к озеру
82

между оттягивающими канатами. Возможности пере¬
крытия громадных площадей порождают ряд смелых
Интересен проект пневматического (покрытия над
предложений. Сейчас, например, разрабатываются про¬
екты оболочек над крупными агротехническими комп¬
лексами.
Торонто, Канада. Прозрачная оболочка, поддерживае¬
мая давлением воздуха 250 Па, притянута к земле
2300 тросами длиной 36 м (рис. 2.18,6). Таким образом,
над городом возникает громадная оболочка площадью
около 450 км2, состоящая из 2300 меньших куполов со
стороной 450 м. Несмотря на кажущуюся несбыточ¬
ность такого проекта, он подкреплен рядом аргумен¬
тов, в свете которых приобретает реальные черты.
Элементы, притягивающие оболочку к основанию,
могут быть не точечными, а линейными. В этом слу¬
чае оттяжки развиваются в диафрагмы (см. рис. 2.14).
Это позволяет не только снизить концентрацию напря¬
жений в материале оболочки, но и лучше организовать
водосток, который становится наружным. Трудности,
связанные с внутренним водоотводом, исчезают.
2.4. ДВУХСЛОЙНЫЕ ОБОЛОЧКИ
Оболочка воздухоопорного здания чрезвычайно тон¬
ка и, естественно, отличается низкими теплотехнически¬
ми показателями. Обогрев ее внутреннего объема зи¬
мой требует больших расходов тепла; перегрев воздуха
летом иногда достигает Ю°С.
Этот недостаток может быть заметно смягчен приме¬
нением двухслойных оболочек. В отличие от двухслой¬
ных пневмопанельных конструкций, где избыточное
давление поддерживается только между оболочками,
соединенными друг с другом, стабильность формы воз-
духоопорных оболочек обеспечивается разностью дав¬
лений воздуха для каждой оболочки в отдельности
(рис. 2.19). Внутренняя оболочка поддерживается раз¬
ностью давлений в помещении и в межоболочечном
пространстве. Эта разность может быть очень незначи¬
тельной, так как она противодействует всего лишь соб¬
ственной массе оболочки. Наружная оболочка, подвер¬
женная воздействию ветра и снега, требует 'более высо¬
кого перепада давлений.
Примером двухслойной воздухоопорной оболочки
может служить выставочный павильон (рис. 2.20,а),
83

Рис. 2.19. Двухслойные воздухоопорные оболочки
а—с раздельным поддувом в межоболочечное пространство; б—с подду¬
вом в оболочку и наполнением межоболочечного пространства через
отверстия во внутренней оболочке; в — принцип «пневматика в пнев¬
матике»
где воздух подается в помещение и межоболочечное
пространство (50 см) раздельно вентиляторами с раз¬
личными напорами, равными соответственно 490 и
380 Па.
Можно обойтись и одним вентилятором, сделав во
внутренней оболочке ряд отверстий определенного диа¬
метра. При надлежащем их числе устанавливается при¬
ходо-расходный баланс воздуха, обеспечивающий ус¬
тойчивость внутренней оболочки. Экспериментами авто¬
ра, выполненными совместно с Ю. И. Хрущевым на на¬
турном двухслойном воздухоопорно'м здании, установ¬
лена практическая возможность эксплуатации и целе¬
сообразность применения двухслойных оболочек этого
типа.
В «минимизированной» форме идея двухслойных
воздухоопорных зданий реализуется в виде внутренней
оболочки, прикрепленной к внешней в отдельных точ¬
ках (рис. 2.21). Создавая воздушные прослойки пере¬
менной толщины, внутренняя оболочка заметно улучша¬
ет средние теплотехнические показатели всей ограж¬
дающей конструкции. Американская фирма «Эйр-Тех»
приступила к серийному производству оболочек двух¬
слойной системы «термалайнер». По данным фирмы,
теплопотери при этом уменьшаются примерно вдвое, а
стоимость повышается только на */з (на 5,6 долл/м2)
84

1
а
Рис. 2.20. Примеры осуществленных проектов зданий с двухслой¬
ными оболочками
а — павильон «Мирный атом» (В. Ланди); б — плавучий театр (Ю. Мурата)
/ — наружная оболочка; 2 — внутренняя оболочка; 3 — плавающее основание;
4 — вакуум между оболочками 100—200 Па; 5 —давление в пневмоарках
15—30 кПа
при стоимости однослойной оболочки с ВУ и анкерами
17 долл/м2.
К аналогичной конструкции пришла и австрийская
фирма, строящая плавательные бассейны по системе
85

б
Рис. 2.21. Двухслойные оболочки без поддува в межоболочечное
пространство
а — «Термалайнер»; б — регулирование инсоляции под двухслойной оболочкой
/ — наружная оболочка; 2 — внутренняя оболочка; 3 — облицовка полирован¬
ной алюминиевой фольгой; 4 — усиливающая сетка; 5 — воздушная прослойка;
в — летнее солнце; 7 — зимнее солнце; 8 — средняя оболочка; от¬
ражающая поверхность; светопроницаемая поверхность
арх. И. Линекера [2.15]. Внутренняя оболочка, отли¬
чающаяся легкостью и пониженной прочностью, соеди¬
нена с более прочной наружной в отдельных точках
п отстоит от нее на 10—15 см. Воздушная прослойка
между оболочками свободно вентилируется, а конден¬
сат выпадает в межоболочечное пространство и стека¬
ет в канализационную сеть.
Более свободная трактовка представления о двух¬
слойных оболочках может привести к полному отделе¬
нию внутренней оболочки от внешней. Последняя начи¬
нает выполнять функции защиты от климатической аг¬
рессии, а внутренняя оболочка вырождается в ряд ма¬
лых, огражденных внешней. Проект такого комплекса
пневматических зданий опубликовал японский архитек-
86

Рис. 2.22. Проект комплекса зданий «пневматика в пневматике»
тор Ю. Мурата [1.20] под девизом «Пневматика в
пневматике» (рис. 2.22).
Некоторой разновидностью двухслойных можно счи¬
тать оболочки с подкленньгм изнутри слоем легкого
пенопласта. Натурные испытания опытных оболочек,
утепленных пенополиуретаном, выполненные Ю. И. Хру¬
щевым [3.9], показали, что слой поролона в 3 мм
снижает потребную мощность ОУ на 17%, а — в 5 мм —
на 23%; для двукратного сокращения теплопотерь по¬
требуется слой в 50 мм. Однако из-за увеличившегося
в несколько раз объема в сложенном виде резко ослож¬
нилась транспортабельность сооружений, повысилась
их стоимость. Возникли опасения, что в случае пожара
полиуретан будет выделять токсические соединения.
Введение в оболочку третьего, среднего слоя позво¬
ляет решать функции термо- и светорегулирования с
помощью пневматики. Трехслойная оболочка выполня¬
ется следующим образом (рис. 2.21,6). Левую половину
верхней оболочки делают светопроницаемой, правую—
отражающей, со средней оболочкой поступают наобо¬
рот. Нижнюю оболочку делают прозрачной. Подавая
воздух под среднюю оболочку, получают полностью
светоотражающее покрытие. Опуская ее, открывают по¬
мещение для инсоляции.
87

2.5. ЛИНЗОВИДНЫЕ ОБОЛОЧКИ
(ПНЕВМОПОДУШКИ)
Линзовидными называют пневматические конструк¬
ции, состоящие из двух оболочек — верхней и нижней —
соединенных между собой по периметру и передающих
распор жестким системам по всему контуру или в от¬
дельных точках. Они могут перекрывать любой план —
чаще всего круглый или прямоугольный (табл. 2.2); в
последнем случае их часто называют подушкообраз¬
ными.
По принципу статической работы они ничем не от¬
личаются от воздухоопорных конструкций, хотя избы¬
точное давление в эксплуатируемом пространстве здесь
отсутствует (рис. 2.23). Линзу стараются сделать как
можно тоньше, экономя строительную высоту здания.
Однако при этом увеличивается радиус кривизны обо¬
лочки, а следовательно, и усилия в ней самой и в жест¬
ких конструкциях, воспринимающих распор. Усиление
оболочек канатами и сетями, нередко используемое для
воздухоопорных зданий, полностью приемлемо и для
пневмолинз (рис. 2.23,в). Уменьшение выпуклости осо¬
бенно полезно для нижней оболочки, нависающей над
помещением (рис. 2.23,6). Привлекает внимание дру¬
гой тип пневмолинзы — двояковогнутый, создаваемый
небольшим вакуумом в межоболочечном пространстве
(рис. 2.23,ж). Недостаток его — затрудненный водоот¬
вод с верхней оболочки. Компромиссным решением мо¬
жет оказаться трехслойное покрытие (рис. 2.23,з), где
использованы и избыточное и недостаточное давление
как средства обеспечения стабильности оболочек.
Так же как и обычные воздухоопорные оболочки,
пневмолинзы работают в режиме непрерывной или ав¬
томатически регулируемой периодической подкачки
воздуха. Последняя здесь более уместна, чем в зданиях,
из-за отсутствия входных проемов и более высокой
герметичности. Нагревом подаваемого в пневмолинзу
воздуха можно решить задачу снегоудаления, а также
регулирования температуры в помещении под оболоч¬
кой. Одноразовое наполнение межоболочечного про¬
странства воздухом, как это делается, например, в
воздухонесомых конструкциях, для пневмолинз из тка¬
ней или пленок непригодно. Дело не только в трудно¬
стях обеспечения полной герметичности, но и в замет-
88

Таблица 2.2. Пневмолинзовые покрытия
. О) , 1—
I а о ш .
3 5“ g S
И О 5 ^ 35
НГ СО
ч ас
я
я
я
Я
я
я
Я
я
я
я
я
ч
я
я
я
о
я
я
я
я
я
я
о
ч
о
[_■
>>
ч
о
я
>,
о
S
н
я
6
я
о
о
я
Он
с_
Со
S
[_н
S
Он
ч
Он
к
>>
к
я
я
оо
н
Он
Он
Он
CQ
СО
с
а
СО
*
SS к
ас а
О) н
о
о
о
о
о
ю
о
о
о
о
сч
со
со
со
ю
ю
1пГ
+ ^
сч
II
Q
со
об*
ю
X
оО
со"
S-
X
с-N
X X
X
оо
оз
сч
я
н
о
и
я
о
Он
я
зя
н
я
я
я
я
CD
с;
я
я
Я
ч
эЯ
к
CD
2
я
н
CQ
я
я
я _
VO
О
и
о
и
>»
Он
Он
ЕС 3S
►-3 <D
С о
ч
о
о
*
н
н
эЯ
2
к
я
о
Ш ни
2 о
о £
я §
PQ аз
вжешош tfoj
СО
2
Q.
а
е'
оз
сч
сч
Ч<
о
о
ю
СО
г-
оз
03
03
оз
03
оз
03
о-
зЯ
<Г)
Ч
Он
(Л
л
с
с
>>
Он
<d
зя
СО
о
Он
н
а
о
я
я
>»
Он
о
о
»я
и
Рч
CCJ
Рн
Он
к
X
со
си
н
о
<
э
о,
е
е
м
е
5
и
Рн
Рч
си
я
я
о
ч
о
Q.
о
и
я"
о
я
CD
Сн
я
<d
с_
я
я
ЭЯ
(D
и
я
я
о
я"
я
Он
CD
е
я~
ч
сё
я~
я
и,
н
о
о
н
я
2
г;
2
Он
я
я
о
из
си
Он
Он
РЗ
S
о
89

3
£L
Рис. 2.23. Схемы пневмолин-
зовых покрытий
а — симметричные оболочки;
б — пологая нижняя оболочка;
в — нижняя оболочка, подкреп¬
ленная сеткой; г — оболочка с
внутриконтурными опорами;
д — оболочка с внутриконтур¬
ными и центральной опорами;
е — оболочка, подкрепленная
канатами и центральной опо¬
рой; ж—симметричная оболоч¬
ка, напряженная вакуумом; з —
трехслойная оболочка
ном увеличении напряжений в
оболочке при повышении тем¬
пературы воздуха внутри лин¬
зы — явлении, исключаемом
при непрерывном поддуве.
Для металлических пневмо¬
линз, высокопрочных и иде¬
ально герметичных, одноразо¬
вое наполнение представляет¬
ся возможным.
Следует отметить еще од¬
ну особенность пневмолинзы.
При падении давления возду¬
ха в межоболочечном прост¬
ранстве верхняя оболочка ло¬
жится на нижнюю, которая
превращается в висячее пок¬
рытие, и аварийная обстанов¬
ка существенно смягчается.
Одной из -первых (если не
самой первой) и во всяком
случае самой большой до се¬
годняшнего дня пневмолин¬
зой диаметром 44 м был пе¬
рекрыт зрительный зал летне¬
го Бостонского театра (США,
1959 г). Считалось, что про¬
висающая поверхность потол¬
ка зрительного зала хороша в
акустическом отношении. Лин¬
за была сравнительно тонкой,
всего 6 м (рис. 2.24) и кре¬
пилась в 18 точках к сталь¬
ному кольцу, лежащему на 18
стойках. Интересно, что про¬
несшийся над Бостоном в
1970 г. ураган разрушил лег¬
кие стеновые ограждения
театра, но пневмолинза оста¬
лась невредимой.
Идея наложения много¬
угольной линзы на круглые в
плане стены зданий меньшего
диаметра была реализована
90

Рис. 2.24. Пневмолинзовое покрытие летнего театра
а — разрез здания; б, в—деталь крепления оболочек к контурному кольцу
/ — верхняя оболочка; 2 — контурное стальное кольцо: 3 — ВУ; 4 — воздухо¬
вод; 5 — трубчатая стойка диаметром 305 мм; 6 — стальной канат; 7 — шпиль¬
ка; 8 — край оболочки
в покрытии выставочного павильона Американской
атомной комиссии (рис. 2.25,а). Оттяжка его углов
к земле подчеркивала тектонику надутой оболочки.
Добиться существенного уменьшения провисания ниж¬
ней линзы, используя поддерживающие канаты, одна¬
ко, не удалось. Пришлось поэтому в центре зала по¬
ставить стойку.
Пневмолинзовые конструкции успешно используют¬
ся для временного или постоянного перекрытия боль¬
ших площадей, причем здесь эффективно исполь¬
зуются теплоизоляционные свойства двухслойных обо¬
лочек и светопроницаемость материалов. Примером мо¬
жет служить перекрытие внутреннего двора Берлинско¬
го торгового центра двумя пневмолинзами 26,9X17,1 м
(рис. 2.25,6). Нижняя оболочка 'более полога и усилена
стальной сеткой 25X25 см. Подаваемый в межоболо¬
чечное пространство воздух зимой нагревается до 45°
калориферами, через которые проходит 60% наружно-
91

Рис. 2.25. Пневмолинзовые покрытия
вверху—выставочного павильона; внизу — внутреннего двора торгового
центра «Штеглиц»
92

го воздуха и 40% внутреннего. Это пространство до¬
ступно для персонала, обслуживающего и моющего обо¬
лочки. Подсчитано, что стоимость пневмолинз состав¬
ляет 30% стоимости светопроницаемого покрытия обыч¬
ной конструкции.
В последние годы появился ряд проектов перекры¬
тия пневматическими линзами целых торговых улиц.
Один из них уже осуществлен в Марле, ФРГ [2.11].
Тремя пневмолинзами толщиной 7 м перекрыт 185-мет¬
ровый (58,8+67,2+58,8 м) участок улицы шириной
29.4 м (рис. 2.26, 2.27). Верхняя и нижняя (более поло¬
гая) оболочки обтянуты поперечными канатами. Пнев¬
молинзы опираются на железобетонные пилоны, уста¬
новленные на перекрытиях торговых зданий. Распор,
возникающий при подаче воздуха под рабочим давле¬
нием 300 Па, воспринимается стальными шпренгельны-
ми распорками, расположенными внутри пневмолинз.
Шаг пилонов, шпренгелей и обтягивающих канатов
8.4 м.
Проектируя пневматические линзы, стараются
уменьшить их толщину, что, естественно, вызывает по¬
вышение развивающихся в них напряжений. Это наво¬
дит на мысль о возможности использования для тонких
линз металла (рис. 2.28). Вероятно, наилучшим мате¬
риалом для этой цели окажется нержавеющая сталь,
поскольку не потребуется заметного припуска толщины
листов. Самой сложной задачей при создании стальных
оболочек может оказаться устройство швов — прочных
и герметичных. При малой толщине листов 0,5—1,5 мм
(а только при этом стальная пневмолинза может выиг¬
рать соревнование с другими большепролетными кон¬
струкциями) сварка может не полностью удовлетворить
эти требования. Предстоят исследования склеенных или
комбинированных (сварка+еклейка) швов.
Квадратные пневмоподушки хорошо сочетаются с
крупномодульными перекрестно-стержневыми структу¬
рами. В массовом масштабе они были использованы
как кровельные панели покрытия Зоны символов на
ЭКСПО-70. По верхней сетке трубчатой структуры с
модулем 10,8 м были натянуты 243 квадратные пнев¬
моподушки толщиной 1,5 м. Верхние оболочки состояли
из шести, а нижние из пяти слоев разноцветной полу¬
прозрачной пленки (рис. 2.29). Рабочее давление воз¬
духа составляло 500 Па; в предвидении ураганных вет¬
ров оно могло быть удвоено.
93

+ 19,50
94
22 х 8400-184 800

f го \-r
«
ffl u и
iss
4
(X
oj
9Я
4
>>
0 5 5 о
к ! g н
S x с О
я а о к
£ сх и я
g 51 о*
О. <U 1 ^ О
х «1Г5 ..О.
03 ’
JDVO та CQ <и
Ч к « , О
Я я С. I я
Н Я О , я
« а В <° й>
се а я
1 S §
« I о
- т. §
10 S
W ^
85 й* «
а.
о
е*
cd
Я
а>
я
н
3
а.
я
о
^ го I
Л VO ^
ч
<и
х
о
Ч
о
vo
о
а>
о
о
(П
ч
о
о
я
а.
| v:
я ^
О
ч
о
VO
О
«о §
см 5
см я.
I I
X I
& 00
95

Рис. 2.27. Пневмолинзовое покрытие над торговой улицей в Марле
вверху — в готовом виде; внизу — межоболочечное пространство с распоркой
96

Рис. 2.28. Проект перекрытия стадиона пневмолинзой из нержавею¬
щей стали 1,6 мм (А. Сив, А. Куэнц)
Рис. 2.29. Пневмолинзовая панель выставочного павильона
вверху — фрагмент; внизу — сечерие
/ — верхняя оболочка (6 слоев); 2— нижняя оболочка (5 слоев); 3 — верхний
пояс трубчатой структуры; 4 — шаровой узел; 5 — воздух с давлением от 500
до 1000 Па
4 Зак. 540
97

2.6. ТРАНСФОРМИРУЮЩИЕСЯ ОБОЛОЧКИ
Стабильность формы — обычное требование, предъ¬
являемое к пневматическим строительным конструкци¬
ям. Тем не менее нельзя обойти вниманием такое
сеойстго пневматических оболочек, как способность из-
Рис. 2.30. Трансформирующееся пневмолинзовое покрытие клуба
вверху -- положение оболочки в хорошую погоду; внизу то же. в
плохую погоду
98

1* Зак. 540
99

а / б г
в I
Рис. 2.32. Трансформирующие¬
ся пневматические сооружения
ЭКСПО-70: «Башня Мицуи»
а — поднятая; б — опущенная; те¬
невые зонтики; в — в рабочем со¬
стоянии; г — в сложенном виде
100

менять свою форму при из¬
менении уровня избыточно¬
го давления воздуха и усло¬
вий опирания или закрепле¬
ния. Это замечательное
свойство породило новый
вид пневматических конст¬
рукций — воздухоуправляе¬
мые. Наиболее рациональ¬
ная область их применения,
как правило, не связана со
строительством. Но в ряде
случаев управляемые
(трансформирующиеся) обо¬
лочки могут вызвать интерес
и у строителей.
Фирма «Крупп» (ФРГ)
построила несколько пнев-
молинзовых покрытий, кото¬
рые могли трансформиро¬
ваться в зависимости от по¬
годы, раскрываясь в теп¬
лые солнечные дни.
Одно из них было смон¬
тировано над плаватель¬
ным бассейном и представ-
Рис. 2.33. Основные схемы многоэтажных воздухоопорных зданий
а — с мягкими перекрытиями; б — с жесткими перекрытиями, прикрепленны¬
ми к наружной оболочке; в — с жесткими подвешенными перекрытиями
/ — наружная оболочка; 2 — шлюз; 3— мягкие перекрытия; 4 — жесткие пере¬
крытия; 5 — подвески
101

Ляло собой прямоугольную пневмолинзу, подвешенную й
оттянутую к наружным стойкам. Воздух из боковых
стенок, а также линзовидных, в хорошую погоду стравли¬
вается, что позволяет поднимать их и раскрывать бас¬
сейн. Нельзя назвать это решение удачным. Лес стоек
вокруг оболочки, сложный тросовый такелаж, длитель¬
ные и многодельные манипуляции по стравливанию и
свертыванию стенок — все это свидетельствует не в поль¬
зу созданной конструкции.
Другая система трансформирующегося пневмолинзо-
вого покрытия выглядит более совершенной (рис. 2.30).
Главное достоинство этой конструкции в том, что транс¬
формация оболочки происходит автоматически, в резуль¬
тате изменения ее объема. Круглая и довольно выпук¬
лая пневмолинза диаметром 36 м, превышающим диа¬
метр круглого в плане здания клуба в Рюльцгейме
(ФРГ), положена на его обвязку так, что края ее обра¬
зуют своего рода кольцевой карниз. Этот карниз с по¬
мощью 16 оттяжек можно опускать до тех :пюр, пока
он полностью не закроет здание с боков. При потрав-
ливании оттяжек стены раскрываются и оболочка
«вспухает», поднимаясь в вершине на 3,8 м [2.9].
Надувной шар, поставленный на центральную опо¬
ру, поддерживает двухслойное грибовидное покрытие
открытого ресторана диаметром 23 м (рис. 2.31,6). При
непогоде давление воздуха в шаре снижают, и покры¬
тие опускается, закрывая здание по периметру [2.8].
Проект разработан в Японии (арх. Ю. Мурата).
Выставочный павильон на ЭКСПО-70 (Осака, Япо¬
ния) «Башня Мицуи» — высочайшее пневматическое
сооружение мира (рис. 2.32)—постоянно подвергалось
опасности атаки тайфунов. В угрожающей метеообста¬
новке оно могло изменять свою высоту в пределах от
32 до 50 м в зависимости от перехода давления возду¬
ха через критический уровень 350 Па. Там же было
установлено пять теневых зонтиков диаметром 30, 20 и
15 м, раскрывающихся при появлении солнца (рис. 2.
32, в, г).
Трансформирование оболочек из материалов боль¬
шой растяжимости было очень '/дачно использовано
итальянским архитектором Д. Вини [2.21] для пневмати¬
ческой опалубки. На круглую в плане, первоначально
'плоскую мембрану из неопрена (синтетический каучук)
после закрепления ее по периметру укладывался слой
бетонной смеси (см. рис. 1.4,г). Воздух, подаваемый
102

под мембрану, поднимал эту смесь, образуя купол нуж¬
ной высоты. После твердения бетона мембрану удаляли.
Арматура, укладываемая перед бетонированием на
плоскую мембрану, делалась спиральной, растяжимой.
Опалубка выдерживала многократное применение и
позволяла возводить купола диаметром до 30 м за
два — четыре дня. Идея Бини оказалась плодотворной
и реализуется в ряде стран непосредственно или в раз¬
личных модификациях [2.6, 2.16].
2.7. МНОГОЭТАЖНЫЕ ВОЗДУХООПОРНЫЕ
ЗДАНИЯ
Идею многоэтажных пневматических зданий на¬
стойчиво пропагандируют И. Пол и Дж. Монтеро —
австралийский и американский архитекторы [2.17].
Первоначальная идея Й. Пола основывалась на том, что
каждое междуэтажное перекрытие с полезной нагруз¬
кой можно уравновесить разностью давлений воздуха
над и под перекрытием. Тогда не нужны как несущие
конструкции ни стены, ни колонны (рис. 2.33). Роль
стен играет пленка, усиленная канатной сеткой. Для
поддержания перекрытий давление должно повышать¬
ся от верхнего этажа к нижнему. Была испытана круп¬
номасштабная модель такого здания (рис. 2.34,а). Зыб¬
кость мембранных полов заставила искать конструк¬
тивные решения с жесткими покрытиями без поэтажного
разделения уровней давления воздуха. Перекрытия
либо крепятся к наружной оболочке, либо подвешива¬
ются к верхнему перекрытию.
Шлюзование при входе-выходе необходимо во всех
случаях, но в первом оно неизбежно и при переходе
из этажа в этаж.
Несмотря на заманчивость идеи (здания без стен и
без колонн), реализация ее сопряжена с потенциаль¬
ной опасностью. Если выход из строя воздухоподающих
систем или разрыв оболочки одноэтажного воздухоопор¬
ного здания влечет за собой медленное опускание одной
легкой оболочки, то здесь аналогичная ситуация вызовет
катастрофические последствия — обрушение перекрытий.
Кроме того, люди вынуждены постоянно находиться под
избыточным давлением, равным для 10-этажного здания
70 кПа, и подвергаться при выходе из дома процедуре
декомпрессии,
юз

в
Рис. 2.34. Двухэтажные воз¬
духоопорные здания
а — макет двухэтажного здания
с примыкающими помещениями
(Й. Пол, Дж. Монтеро); б, в—
аудитория (общий вид; разрез)
/ — оболочка 2-го этажа; 2 —
шлюз; 3 — мягкое междуэтаж¬
ное перекрытие; 4 — оттяжки;
5 — акустический плафон; 6 —
вращающиеся входные двери
104

Тем не менее двухэтажное воздухоопорное здание
уже существует и эксплуатируется. В Арнеме (Нидер¬
ланды) смонтирована аудитория (рис. 2.34, б, в), зри¬
тельный зал которой расположен над фойе, где давле¬
ние воздуха превышает давление в зале на 450 Па
[2.10]. Этой разницы вполне достаточно для того, что¬
бы поддержать мягкое междуэтажное перекрытие,
служащее зрительскими местами, на которых можно не
только сидеть, но и полулежать. Шлюзование здесь дву¬
кратное— при входе в фойе (первый этаж) и в зри¬
тельный зал (второй этаж).
2.8. ОБОЛОЧКИ СЛОЖНЫХ ФОРМ
К оболочкам сложных форм относятся прежде все¬
го оболочки на планах, отличающихся от кругового,
овального, прямоугольного. Наиболее простые их раз¬
новидности— это комбинации двух или нескольких
простых форм — сферической, цилиндрической, кони¬
ческой, тороидальной (рис. 2.35, 2.36).
Непосредственное соединение разнородных поверх¬
ностей возможно лишь при наличии общих касатель¬
ных по линии контакта. Выходом из положения может
105

быть либо включение переходных участков (рис. 2.37),
либо устройство мягких или жестких (последние неже¬
лательны) линейных конструкций, воспринимающих рав¬
нодействующую усилий в стыкуемых кромках оболочек,
касательные к которым пересекаются под углом. Чем
рельефнее поверхность, тем большее значение приобре¬
тают эти вспомогательные элементы.
К оболочкам сложной формы относятся и такие, ко¬
торым при сравнительно простом плане по архитектур¬
ным или иным соображениям придается усложненная
'поверхность. Примером может служить покрытие над
плавательным бассейном в Тельце, ФРГ (рис. 2.38),
форму которого арх. Г. Минке усложнил, наложив на
оболочку шесть канатов расходящимися из угла здания
лучами.
К наиболее сложным видам относятся оболочки с
совершенно произвольным планом. План оболочки, по¬
казанный на рис. 2.39,а, усложнен тем, что она при¬
способлена к очертанию плоской крыши здания, на ко¬
торой смонтирована.
106

Рис. 2.35. Оболочки, составленные из простых геометрических форм
фасады и планы плавательных бассейнов в Вольфсбурге, ФРГ (Крупп, 1971);
а — цилиндрические (ц)+коническая (к); вверху — то же, фото из точки А\
в — цилиндрические (ц) + сферическая (с); внизу — то же, фото из точки Б
(переходная поверхность заштрихована)
107

Рис. 2.36. Оболочка, составленная из сферических форм (арх. В. Лан¬
ди, США)
а
Рис. 2.37. Сопряжения разнородных поверхностей оболочек с по¬
мощью
а __ плавного переходного участка; б — обтягивающего каната /; в — жесткой
арки 2
Г —усилия в оболочках; R — равнодействующая усилий Т
108

Рис. 2.38. Покрытие над плавательным бассейном в Тельце
Оболочкой с размерами в плане 30,5X91,5 м при
высоте 24,4 м покрыто несколько зрелищных помеще¬
ний (в том числе цирк). Она отличается еще большей
сложностью и выпуклостью форм, почему, вероятно, и
получила собственное имя «Чикагской Венеры» (рис.
2.39, б, в).
2.9. АРХИТЕКТУРА ВОЗДУХООПОРНЫХ ЗДАНИИ
Как всякий новый вид сооружений из новых мате¬
риалов и тем более — основанный на необычных кон¬
структивных принципах, пневматические здания долж¬
ны обладать особыми архитектурными чертами, иметь
специфическую тектонику. Архитектура пневматических
сооружений неотделима от их конструктивных возмож¬
ностей. Формы вытекают из физических и геометрических
особенностей мягких оболочек, наполненных воздухом.
При проектировании важно знать границы, в которых
можно развивать творческие замыслы в направлении
объемных решений; выходить за их пределы не позво¬
ляет сама природа, исправляя ошибки архитектора
или конструктора. Но 'после этих «исправлений» соору¬
жение проигрывает либо во внешнем виде, либо в ус¬
тойчивости,
109

б
Рис. 2.39. Оболочки со сложным планом
а — оболочка на крыше клуба. Осака, Япония (фирма «Тайо Когио», 1973);
план (б) и фасад (в) оболочки над комплексом зрелищных помещений (про¬
ект Б. Квентина, США)
Первые воздухоопорные здания отличались геомет¬
рической ясностью, простотой раскроя и... архитектур¬
ной невыразительностью. Это были оболочки в виде
сферы, цилиндра или их комбинации. Использование
тороидальных поверхностей несколько обогатило воз¬
можности выбора форм. Однако вскоре стало ясно, что
110

отход от элементарных геометрических тел не только
возможен, но и необходим, если архитектор желает
создать новые, выразительные и поражающие вообра¬
жение формы.
Широкие возможности компоновки объемов пневма¬
тических сооружений, их скульптурные формы, богатая
цветовая гамма, любая степень светопроницаемости —
все эти качества привлекают к ним внимание архитек¬
торов. В настоящее время сооружено много воздухо¬
опорных зданий, которые следует отнести к произведе¬
ниям искусства.
У пневматической архитектуры три средства выра¬
жения: форма, цвет и свет. Они не совсем совпадают с
понятиями, привычными для обычных зданий. Форму
корректируют законы физики; внешняя расцветка тон¬
кой оболочки перетекает в ее интерьер, роль света как
элемента архитектуры здания с просвечивающими сте¬
нами и потолком резко возрастает и при решении задач
естественного освещения, и при проектировании «ноч¬
ного фасада» освещенной изнутри оболочки.
Если распространить понятие тектоники как худо¬
жественного выражения работы конструкции (в дан¬
ном случае — мягких оболочек, наполненных воздухом)
на архитектурные формы воздухоопорных зданий, то
можно прийти к выводу, что для них характерны:
крупные, выпуклые и чаще всего единые объемы;
И

а в
б г
Рис. 2.40. Архитектура пневматических зданий
а — передвижной выставочный павильон; в — покрытие над закусочной; в —
выставочный павильон «Фудзи»; г — плавучий театр
отсутствие плоских поверхностей и угловатых форм;
членение общих объемов на более мелкие перегиба¬
ми поверхности, вызванными использованием канатов,
тросовых сетей, диафрагм или точечных оттяжек.
112

Выпуклые формы воздухоолорных оболочек подчер¬
кивают их напряженность, порожденную избыточным
давлением воздуха внутри сооружения. Однако устойчи¬
вость оболочкам может быть придана и диаметрально
противоположным путем — созданием шониженнопо
давления в помещении. Тогда поверхность оболочки
из

114

а в
б
Рис. 2.41. Проекты пневматических павильонов США на ЭКСПО-70
(арх. Девис, Броуди, Чермаев и др.)
а в соответственно первый, второй и третий варианты
становится вогнутой и возникают новые тектонические
формы, создаются новые зрительные впечатления.
Давление воздуха, направленное внутрь помещения,
требует поддерживающих конструкций, которыми могут
быть, например, пневмоарки.
Но самый главный тектонический мотив воздухо¬
опорного здания — это легкость, «бестяжестность», рву¬
щаяся вверх. Ведь в самом деле, подъемная сила на¬
полняющего оболочку воздуха в десятки раз превышает
ее собственную массу. До сих пор здания тяжело опи¬
рались на землю, теперь они устремляются ввысь и
«держатся за землю», чтобы не улететь. Это стремле¬
ние часто подчеркивают, освобождая катенарный пояс
от функции герметизации и передавая ее фартуку. Тогда
шаг пояса резко укрупняется, что подчеркивает его
сдерживающую напряженность, особенно при отделе¬
нии пояса от основного контура оболочки.
Первенцем «пневматической архитектуры» обычно
называют выставочный павильон «Мирный атом», соз¬
данный американским архитектором Виктором Ланди
(рис. 2.40,а). Это громадное (90x38 м) здание состояло
цз двух выпуклых объемов, мягко соединенных между
115

собой суженным переходом. Широкие входы расположе¬
ны в глубине расширяющихся навстречу входящим пнев-
.мопанельных сводов.
Создавая это сооружение, Ланди не следовал, подоб¬
но своим предшественникам, жестким геометрическим
прототипам, а постарался привести форму в соответствие
не только с функциональными нуждами (двухзальная
планировка), но и с определенным эстетическим замыс¬
лом. Он же спроектировал несколько пневматических ку¬
полов над закусочными на территории Нью-Йоркской
выставки 1964 г. Они были скомпонованы из нескольких
сфер, наподобие ягоды малины или ежевики (рис. 2.40,6).
Другим архитектором, сделавшим заметный вклад в
создание «пневматической архитектуры», можно считать
японца Ютаку Мурату. Его выдающееся произведение
павильон «Фудзи» — одна из достопримечательностей
ЭКСПО-70 (рис. 2.40,в). Грандиозное сооружение со¬
стояло из 16 пневматических арок низкого (от 8 до
25 кПа) давления с диаметром сечения 4 м. Будучи
установлены вплотную друг к другу, они перекрывали
круглый план 50 ;м в поперечнике. Поскольку длины
всех арок 'были одинаковыми (по 80 м), средние арки
имели высоту 25 м, а крайние, концы которых сводились
почти вместе, поднимались до 38 м. В целом сооруже¬
ние имело седловидную форму, поражало размерами и
яркой красно-желтой окраской.
Всемирная выставка в Осаке изобиловала пневма¬
тическими сооружениями. Их там насчитывалось более
двадцати, в том числе и такое необычное здание, как
созданный Ю. Муратой плавучий театр (рис. 2.40,г).
Это редкий пример натяжения пневматической оболоч¬
ки не избыточным, а недостаточным давлением (ваку¬
умом).
Интересны и поучительны искания, предшествовав¬
шие принятию окончательного проекта павильона США
на ЭКСПО-70. Первый вариант представлял собой
единый объем 84 м в поперечнике — геометрически
нечто среднее между сферой и кубом (рис. 2.41,а). На
внутреннюю поверхность двухслойной оболочки проеци¬
ровалась аудо-визуальная программа. Здание оказалось
слишком дорогим (9 млн. долл.). Во втором варианте
(рис. 2.41,6) один объем был заменен четырьмя — сфера¬
ми меньшего диаметра, тоже двухслойной конструк¬
ции. Стоимость удалось снизить до 4 млн, долл. Одна-

ко и это сочли дорогим. Принятый и осуществленный
проект (рис. 2.41,в) оценивался в 2,9 млн. долл. Хотя
архитектурно он не был столь ошеломляющим, как
первые два, отклоненные конгрессом США по эконо¬
мическим соображениям, тем не менее этот проект
подтвердил и продемонстрировал возможность перекры¬
тия больших пролетов оболочками, подкрепленными
тросовой сетью. Его ценность как конструктивного нов¬
шества оказалась более высокой, нежели спорные архи¬
тектурные достоинства первых двух вариантов.
Пневматические сооружения в нашей стране еще не
обрели заслуженного места в сфере архитектуры. У
нас пока нет ни одного сооружения этого типа, которое
можно было бы рассматривать как произведение архи¬
тектуры. Это объясняется не столько недостатками про¬
мышленной базы производства пневмооболочек, сколько
некоторой инерцией в направлении хотя бы экспе¬
риментального проектирования. Очевидно, играет не¬
гативную роль и недостаточное знакомство архитекто¬
ров и инженеров с возможностями материалов и кон¬
струкций, с законами формообразования пневмообо¬
лочек.
Можно ли считать пневматические конструкции со¬
оружениями, зданиями, т. е. вообще чем-то таким, к
чему может быть приложено понятие произведения ар¬
хитектуры?
Если вообще согласиться с правомерностью поста¬
новки такого вопроса, то на него нельзя не дать поло¬
жительного ответа, так как сооружения из ткани и
воздуха, так же как здания из любых других материа¬
лов, включают в себя элементы, составляющие архи¬
тектору, начиная от классической триады Витрувия
«прочность — польза — красота» и кончая рядом ее
уточнений, порожденных последующими веками. И все
же вопрос о причислении пневматических сооружений
к произведениям искусства, вероятно, не бесспорен. В
какой-то мере их порочат такие свойства, как недолго¬
вечность, эфемерность, отсутствие монументальности и
вообще некоторая «архитектурная несерьезность».
Пневматические сооружения, действительно, недол¬
говечны: срок их службы редко превышает 10 лет. Са¬
мому старому пневматическому куполу едва исполни¬
лось 30 лет (если он сохранился до наших дней). Дейст¬
117

вительно, само существование пневматических конструк¬
ций связано с необходимостью постоянной или периоди¬
ческой подкачки воздуха; таким образом, они одновре¬
менно с бесспорными чертами сооружения обладают при¬
знаками механизма, нуждаются в двигателе. Однако вряд
ли эти соображения являются решающими в наше время.
Ни длительный срок службы, ни отсутствие в составе
сооружения механизмов не являются отличительными
признаками здания. Ими не обладает большинство
современных зданий, архитектурные достоинства кото¬
рых сомнений не вызывают.
Еще не изучены и, тем более, не исчерпаны все пу¬
ти формообразования пневматических оболочек, кото¬
рые сулят множество интересных архитектурных нахо¬
док. Успешное решение проблемы большепролетных
и многопролетных пневматических сооружений откры¬
вает совершенно неограниченные возможности архитек¬
турной организации пространства и приложения инже¬
нерного искусства. Отметим, однако, что эти возможно¬
сти способствовали появлению сооружений без опреде¬
ленного назначения и поэтому причисляемых их создате¬
лями к особому виду искусства. Например, художник
Кристо установил в Касселе пневматический «мону¬
мент» высотой 82 м и диаметром 10 м. «Монумент» из
прозрачной пленки, нарочито беспорядочно обмотанной
канатами, виден за многие километры. Нечто подобное,
но лежащее горизонтально и -поменьше объемом
(1200 м3), украшало Художественный театр в Миннеа¬
полисе, США. Оба эти сооружения, упоминаемые здесь
лишь для иллюстрации возможностей пневматического
формообразования, дали повод для открытия дискуссии
на тему «Где искусство — искусство?»
В Нидерландах демонстрировалась гипертрофиро¬
ванная пневматическая копия деревянной скульптуры
Р. Блэдена «Клин» — громадный баллон высотой около
10 м, установленный в парке. Там же ‘было изготовлено
пневматическое «Облако», которое можно было при¬
креплять к карнизу любого здания или носить -по горо¬
ду в сопровождении искусственных грома и молний.
Не разделяя оптимизма создателей пневматической
«скульптуры», восприятие которой довольно затрудни¬
тельно, следует признать конструктивную рациональ¬
ность и выразительность пневматических сооружений
как произведений архитектуры,
118

Нет сомнения в том, что сейчас на основе серьезной
инженерной проработки развивается новая отрасль ар¬
хитектуры— пневматическая, со своими тектоническими
особенностями.
2.10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ПНЕВМАТИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
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 кос¬
мосе. Мало того, сейчас родилось так называемое
третье поколение'пневматических конструкций — управ¬
ляемых, контролируемых, движущихся. Появляются
проекты, и не только проекты — действующие моде¬
ли— движителей нового типа, пневматических; мягкие
оболочки, меняющие свою форму при изменении давле¬
ния подаваемого в их отсеки воздуха, начинают плавать,
ползать подобно рьгбам или пресмыкающимся, и вы¬
полнять работы, заданные волей оператора или прог¬
раммой.
Перспективы развития пневматических строитель¬
ных конструкций основываются на двух главных чер¬
тах, присущих оболочкам воздухоопорного типа: воз¬
можности перекрытия больших пролетов и изоляции от
окружающей среды. Размеры воздухоопорных зданий
были ограничены прочностью материалов оболочек лишь
до тех пор, пока не появились конструкции, усиленные
канатами и сетями. Основные усилия, которые воспри¬
нимали ткани или пленки, оказалось возможным пере¬
дать тросовой системе, несущая способность которой
практически неограниченна. Результаты не замедлили
сказаться. График рис. 2.9 показывает непрерывный
рост пролетов пневматических сооружений, усиленных
стальными тросами, на фоне стабилизировавшихся раз¬
меров оболочек без усиления, достигших, очевидно,
своего экономически рационального предела 50—70 м
(нижний предел относится к сооружениям на прямо¬
угольном, а верхний — на круглом плане). Пролет
168 м оболочек, усиленных канатами, на сегодня ре¬
кордный, но далеко не предельный. Разработано много
проектов оболочек с гораздо большими пролетами. Вы¬
полнены расчеты, сделаны аэродинамические продувки,
изготовлены и испытаны макеты. Наиболее грандиоз¬
119

ным и в то же время солидно обоснованным выглядит
проект оболочки над городом в Арктике, выполненный
интернациональной бригадой под руководством
проф. Ф. Отто, ФРГ [2.18]. Город на 20 тыс. жителей
(градостроительная часть проекта — арх. К. Танге,
Япония, статические расчеты — лондонское бюро «Ове
Аруп») располагается под светопроницаемым куполом
диаметром 2 км и высотой 240 м. Силовой основой обо¬
лочки служат канаты диаметром 270 мм из полиэфир¬
ного волокна с гарантированным сроком службы
100 лет. Двухслойная оболочка поддерживается избы¬
точным давлением воздуха только 250 Па. Авторы про¬
екта уверены, что технически он может быть осуществ¬
лен не позднее чем через 10 лет.
Говоря о предельных пролетах, приходится разли¬
чать две стороны этой задачи — техническую возмож¬
ность и экономическую целесообразность. Некоторые
исследователи считают, что техника позволяет довести
пролет воздухоопорных оболочек до 40 км. Есть ли
смысл перекрывать единым пролетом столь большой
объект как, например, город или агропромышленный
комплекс, избегая устройства промежуточных опор? Ве¬
роятно, в таких случаях редко расположенные оттяжки
не будут существенной помехой даже для города, где
и без того много столбов и мачт. И если это так, то,
используя редко расположенные оттяжки, можно пере¬
крывать оболочками безграничные площади.
Пневматические оболочки, по природе своей возду¬
хонепроницаемые, изолируют перекрываемое простран¬
ство от окружающей атмосферы. Пока размеры оболо¬
чек соизмеримы, а функции сопоставимы с размерами
и функциями соседних капитальных зданий, пневмати¬
ческие сооружения часто выглядят неполноценным за¬
менителем последних. Но когда оболочки становятся
столь большими, что под ними можно расположить це¬
лый город, то они приобретают новое качество. Город
становится защищенным от атмосферных воздействий —
ветра, осадков, от излишней инсоляции, от резких ко¬
лебаний температуры и ее коварных переходов через
нуль. Полное исключение одних и смягчение других фак¬
торов позволяют существенно облегчить и удешевить
ограждающие и несущие конструкции зданий.
Воздух под куполом можно подогревать, обеспыли¬
вать и увлажнять. Отопление города может стать более
120

экономичным, поскольку суммарная теплоотдающая по¬
верхность всех городских отапливаемых зданий превы¬
шает площадь теплоотдачи купола в 50 раз. Общие по¬
тери тепла, по данным Р. Б. Фуллера, сокращаются в
10 раз. Дождевые и талые воды, отводимые внутрен¬
ними водостоками, можно рационально использовать,
облегчая решение назревающей проблемы нехватки
пресной воды. Исключаются нужда в ливневой канали¬
зации и расходы на очистку улиц от снега. А они не
так уж малы. Например, из городского хозяйства Моск¬
вы каждую зиму отвлекается около полутора тысяч
автомобилей на снегоуборку. Только транспортные рас¬
ходы достигают 5—6 млн. руб. в год. Подсчита¬
но, что десятилетние расходы на очистку от снега
района Манхаттан в Нью-Йорке (рис. 2.42) окупили
бы стоимость стального геодезического купола над
этим районом, хотя стальной купол значительно доро¬
же пневматического.
Попытка реализации этих соображений уже пред¬
принята. Группа многоэтажных административных
зданий в Денвере, США, покрывается единой воздухо-
опорной оболочкой размерами 305X122X11 м, опертой
на земляной вал высотой 8,5 м. Разработан проект
трехслойной оболочки с регулируемой инсоляцией (см.
рис. 2.21). Это позволит сократить расходы на отопле¬
ние зданий в зимнее время с 630 до 500 МДж на 1 м2 в
год, а также на защиту от избыточной солнечной ра¬
диации летом.
Изучение теплотехнических аспектов проблемы обо¬
лочек над городами приводит к интересной аналогии.
Если жаровня в гондоле монгольфьера, подогревая
воздух в бумажном шаре, придавала ему нужную
подъемную силу, то не будет ли воздух, подогреваемый
всеми домами города, обладать подъемной силой,
достаточной для того, чтобы поддержать оболочку, их
покрывающую? Не суть ли наши города — гигантские
жаровни, где каждый дом — уголек, подогревающий
окружающий воздух? Может быть, покрывая весь го¬
род пленкой, можно будет обойтись без воздухонагне¬
тающих устройств? Может 'быть, станет возможным на¬
долго открывать въезды под оболочку, не заботясь о
шлюзовании?
Приближенную оценку повышения давления, выз-
рацного разностью температур t2 и t\ воздуха под обо-
121

122

ПТ7Т\
а
б
Рис. 2.42. Проекты воздухоопорных покрытий над городски¬
ми районами
«—над Манхаттаном диаметром 3,2 км (Р. Б. Фуллер); б—над райо¬
ном Плато Бобур. Париж, (М. Шидхельм); в — над комплексом
административных зданий (Д. Гайгер, X. Бергер)
/ — земляная насыпь; 2 — анкера; 3 — трехслоипая оболочка (с м
рис. 2.21,6) с шагом канатов 13 м
123

Рис. 2.43. Проект воздухоопорного покрытия над городом Торонто
(см. рис. 2.18,6)
лочкой, можно сделать по формуле изохорического про¬
цесса
ДР = Ро (^2 — Л)/273,
где ро — атмосферное давление при 0°С.
Судить о повышении температуры воздуха, окру¬
жающего город зимой, позволяет справка Гидромет¬
центра СССР, свидетельстующая о том, что зимняя
температура в центре Москвы в среднем на 3,5° выше,
чем в пригороде.
Это объясняется большим количеством тепла, выде¬
ляемого главным образом отапливаемыми домами.
124

Принимая t2—*i = 3,5°C, a p0= 101,325 кПа, найдем:
Др= 101,325-3,5/273 « 1,3 кПа.
В этом расчете не учтены некоторые факторы,
влияющие на Ар как отрицательно (негерметично замк¬
нутый объем), так и положительно (восходящие потоки
теплого воздуха). Однако он позволяет предполагать,
что тепло, выделяемое городскими домами зимой, может
быть достаточным для поддержания над ними возду¬
хоопорной оболочки.
Сейчас под пневматическими оболочками строят
сравнительно небольшие здания, выполняют отдельные
виды строительных работ: сварочные, кровельные, бе¬
тонные. Однако недалек тот день, когда сможет быть
покрыта вся строительная площадка (рис. 2.44) и про¬
изводство строительно-монтажных работ не будет за¬
висеть ни от времени года, ни от погоды, ни от распу¬
тицы. То же можно сказать и об открытых разработ¬
ках полезных ископаемых, весь район которых может
быть закрыт единой оболочкой.
Не менее захватывающие перспективы открывает
возможность перекрытия крупных агропромышленных
угодий. Использование парникового эффекта, управле¬
ние влаготермическим режимом под оболочкой сред¬
ствами регулирования инсоляции и испарения влаги,
насыщение атмосферы под оболочкой С02 — все это
сократит вегетационный период растений и в конечном
счете позволит собирать несколько урожаев в год.
Развивать агропромышленные комплексы на бесплод¬
ных прибрежных песках южных морей (например Кас¬
пия) поможет такое свойство оболочки, как конденси¬
рование на внутренней поверхности влаги, испаряю¬
щейся из подведенной морской воды [2.3].
Цивилизация постепенно расширяет объемы конди¬
ционируемого воздуха, окружающего человека. Снача¬
ла границами зоны искусственного микроклимата бы¬
ла одежда, затем примитивные жилища (шалаши, хи¬
жины, чумы, вигвамы, юрты, иглу и т. п.). Сейчас это
стены и кровли зданий. Наступает эра микроклимата
над городами, и ее провозвестниками выступают пнев¬
матические купола. Точно так же, как дома освободи¬
ли человека от ношения шуб и непромокаемых плащей
в комнатах, оболочки над городами освободят здания
от непромерзающих стен и непротекаемых кровель.
В более отдаленном будущем средствами, нам пока
125

126

еще ^неведомыми, вероятно, будут созданы зоны искус¬
ственного климата над целыми областями (если не стра¬
нами). Тогда отпадет нужда и в оболочках, которые
сейчас грозят сделать ненужными дома в их современ¬
ном виде.
Глава 3
КОНСТРУКЦИЯ ОБОЛОЧЕК
3.1. МАТЕРИАЛЫ ОБОЛОЧЕК
К материалам, из которых делают мягкие оболоч¬
ки пневматических конструкций, предъявляются два
основных требования: прочность и воздухонепроницае¬
мость. Такими материалами могли бы быть полимерные
пленки или текстильные ткани, если бы .прочность воз¬
духонепроницаемых пленок была достаточной, а ткань
не пропускала бы воздух. Объединение положительных
качеств этих двух материалов в одном приводит либо
к армированию пленок текстилем (тканью или сеткой),
либо к наложению слоя полимеров (пленки или пасты)
на ткань. В. конечном счете появляются два родствен¬
ных материала — армированные пленки и импрегниро-
ванные ткани (ткани, покрытые полимерами).
Тканям придают воздухонепроницаемость, нанося с
обеих сторон (реже — с одной) полимерное покрытие, в
функцию которого входит также защита волокон тка¬
ни от климатических факторов и механических воз¬
действий.
Помимо двух основных требований есть ряд допол¬
нительных: прочность при раздире, стойкость против
воздействий среды (солнечной радиации, окисления,
увлажнения,, плесени, химической агрессии, мороза,
нагрева) и против механических повреждений (истира¬
ния, проколов), негорючесть (самозатухание), светопро¬
ницаемость, окрашиваемость в массе в различные цвета,
умеренная стоимость, удобство стыковки полотнищ,
массовость производства и др. [3.5]. Некоторые из этих
требований в зависимости от назначения сооружения
могут приобретать значение основных. Требования раз¬
нообразные и подчас несовместимые. Трудно, например,
в одном материале рецептурно совместить требования
127

огне- и морозостойкости. Поэтому материалов, полностью
удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, нет,
и вряд ли они могут быть.
Основным материалом современных мягких оболо¬
чек служат ткани из синтетического волокна с поли¬
мерным защитным покрытием. Чаще всего используют¬
ся волокна полиамидные и полиэфирные, реже — поли-
акрилнитр ильные, поливинил спиртовые, полипропиле¬
новые.
Начинают применять стеклянное волокно, ведется
изучение возможности использования сверхпрочного
угольного и полиамидного (СВМ, кевлар) волокна.
Полиэфирное волокно по сравнению с полиамидным
отличается более высокой стойкостью к воздействиям
окружающей среды, повышенным модулем упругости,
однако уступает в прочности и стоит дороже. Оба вида
волокон сгораемы.
Стекловолокно характеризуется высокой прочностью
и стойкостью к воздействиям окружающей среды, свето¬
проницаемостью, огнестойкостью. В то же время оно
плохо сопротивляется истиранию, перегибам; шитые швы
получаются слабыми.
Из волокон прядут нити, физико-механическими
показателями которых служат: разрывная длина L, км,
характеризующая их удельную прочность, и метриче¬
ский номер (длина в метрах нити массой 1 г), характе¬
ризующий ее тонкость. За рубежом используют другую
единицу, денье — масса, г, 10 000 ярдов или текс — мас¬
са, г, 1000 м нити.
Для силовой основы материала чаще всего исполь¬
зуют ткань полотняного переплетения из нитей низких
номеров (8—20) и малой крутки. Разновидность ее —
рогожка — отличается расположением не одной, а двух
и более нитей в ряд, что повышает сопротивление тка¬
ни раздиру. В процессе ткачества нити основы и утка,
переплетаясь между собой, перестают быть 'прямыми
(рис. 3.1,а). Это служит причиной повышенной дефор-
мативности ткани в соответствующих направлениях из-
за выпрямления нитей при растяжении.
Удачной попыткой противоборствовать этому явле¬
нию можно считать создание в ГДР ткани «малимо»
(рис. 3.1,6). Здесь нити обоих направлений не перепле¬
таются, а оставаясь всегда прямыми, соединяются
между собой третьим слоем тонких нитей. При этом уд¬
128

Рис. 3.1. Текстильная основа материала оболочек полотняного пере¬
плетения
а — полотняного переплетения; 1 — основа; 2 — уток; б — «малимо»
линения ткани существенно сокращаются. Например,
если при усилии 10 кН/м удлинения полотна вдоль ос¬
новы и утка составляют соответственно 6 и 12,5%, то
для «малимо» эти показатели равны 3 и 2%. Недо¬
статком «малимо» является повышенная полимероем-
кость в связи с появлением третьего слоя нитей и
уменьшение толщины защитного слоя над выступающи¬
ми соединительными нитями.
Чтобы получить более прочные материалы, ткани
дублируют, т. е. делают их двухслойными. При парал¬
лельном дублировании, когда направления нитей сое¬
диняемых слоев совпадают, прочность материала на
разрыв возрастает не вдвое, а в 1,5—1,75 раза. Диаго¬
нальное дублирование преследует главным образом
цель повышения сопротивления раздиру. Разрывная
прочность увеличивается менее заметно, чем при парал¬
лельном дублировании, особенно при одноосном растя¬
жении. Дублированные и многослойные ткани приме¬
няют для очень крупных или ответственных сооруже¬
ний, например для мягких плотин.
Защитное покрытие наносится на текстильную осно¬
ву (ткань) либо в 'пастообразном состоянии специаль¬
ными машинами (каландрами, шпредингами), либо в
виде пленки (дублирование). Покрытие, наносимое на
ткань, не повышает ее разрывную прочность. Сопротив¬
ление же раздиру даже падает, причем тем заметнее,
чем жестче материал покрытия. Объясняется это тем,
что нити, положение которых зафиксировано покрыти¬
ем, рвутся поодиночке. Снижение прочности при разди-
ре проявляется сильнее у материалов, жесткость покры-
Зак. 540
129

тия которых повысилась в результате старения или
низкой температуры.
Многие из требований к материалам, перечислен¬
ных выше, относятся прежде всего к покрытиям, кото¬
рым приходится отражать агрессию внешней среды и
(поверхностные механические воздействия; от них также
зависит и такой первостепенный технологический пока¬
затель, как возможность сварки или склейки полотнищ
между собой.
Классическим покрытием с времен расцвета воздухо¬
плавания считаются каучуки. Большинство оболочек
отечественного производства до сих пор изготовляют из
тканей, покрытых синтетическими каучуками: бутило¬
вым (БК), натрий-бутадиеновым (СКБ), полихлоро-
преновым (наирит, неопрен), полиизобутиленовым
(ПИБ), этипенчпропиленовым (СКЭЛТ), бутадиен-нит-
рильным (СКН), хлорсульфированным полиэтиленом
(ХСПЭ) и др. (табл. 3.1). В настоящее время каучуко¬
вые покрытия уступают место покрытиям из пласт¬
масс. За рубежом они почти полностью вытеснены как
материал для воздухоопорных оболочек и встречаются
лишь в пневмостержневых и пневмопанельных конструк¬
циях. Наибольшее распространение получил пластифи¬
цированный поливинилхлорид (ПВХ), которому соот¬
ветствующим подбором компонентов приданы свойства
прочности и светопогодостойкости. Он недорог, свето¬
проницаем и хорошо сваривается. Жесткость при низ¬
ких температурах уменьшают введением пластифика¬
торов.
Хлорсульфированный полиэтилен (хайпалон) отли¬
чается высокой стойкостью к кислотам, окислению, озо¬
ну, теплу, истиранию, солнечной радиации. Он долго¬
вечен и недорог. Морозостойкость его слабая, и он не
сваривается.
Полихлоропреновые каучуки по прочности и погодо¬
стойкости сходны с хайпалоном. Имеют лучшую изно¬
соустойчивость и адгезию к текстильной основе. Недо¬
роги, не свариваются.
Фторсодержащие полимеры, например политетраф¬
торэтилен (ПТФЭ), — фирменное наименование «теф¬
лон»-— в отечественной практике не встречаются. Их
отличают высокие механические показатели и устойчи¬
вость ко всем видам порчи, особенно при высоких тем¬
пературах. Они светопроницаемы и грязеотталкивающи.

Таблица 3.1. Физико-механические показатели прорезиненных
ш
о
ч
4
5
о.
8
со
Й
см
со
-
Со 00 О
ю
О
00
о
ЧГ
ю
+
X
о
ю
о
СО
УО
0Х о оо
л -1
и 1
1^
тг
о
ь-
о
о
СП
о
ю
1
О)
из
н
со
+
CD
и
о
8
1
ю
см
CD
см
О»
со
ю
+
«
2
о.
760
ю
со
8
см
ю
СО
8
0)
и
*
н
-875
ю
о
ю
со
о
TJ*
+
6*
X А
«е СХ
785
о
ю
см
LO
со
-35.
О V
Н°
to —
см
н
я
сх
-1,5
-780
05
05
СО
8
+
о
со
Я
СО
1 1
— о
СМ
ю
ю
со
1
СО
с
8
СО
to —
о
из
S
с
4-
(0
*
и
4-
см
VO*5 ,
S.S I
g-o
и
+
со — |ц % t-
см EU3 ^
о
о
ю
1
ю
о
со
05
со
ю
+
«
2
со
00
о
со
0+ О
о
00
о
иэ
а
а>
00
ю
*
и
8
-
8
со
о
ю
1
и
см’
о
о
00
ю
см
о
8
05
СО
8
+
=я
2
to
о
-Н о
680-
т
СО
о
ч**
СО
Ю
СО
-50. .
сх
а>
и
to
со
см
щ
СО
см
о
ч
из
S
с
4-
о
05
— СО
^ 1
ю
см’
о
ю
+
эХ
2
X
Q.
ю
о"
\
СО
см
§
ю
с
см
из
*
и
0
560
—50.
<и
ю
СО
см
05
о
СО
см
Ч
из
S
с
-1-
05
СО
о
о
7
LO
см*
о
СО
LO
СО
о
ю
2
X
ю
о
3.
СО
с
[Q
о
о
тг
о
ю~
0)
ю
ю
ю
см
о
о
со
со
со
—50
2*
8
S Э
о» о
he
* Зак. 540
5’
131
1 Трудновоспламеняемая.
2 Светопроницаемая.
3 Параллельно дублированная. /
4 В числителе даны значения по основе, в знаменателе — по утку

Очень дороги, поэтому за рубежом применяются
только для уникальных сооружений, например покры¬
тий стадионов.
Физико-механические характеристики материалов
оболочек средних размеров (пролетом до 30—35 м), се¬
рийно изготовляемых более чем 20 фирмами 13 зару¬
бежных стран, следующие.
Силовая основа — ткань из полиамидного или по¬
лиэфирного волокна, реже поливинилспиртового. Нити
840 денье (метрический номер около 9,5). Покрытие в
подавляющем большинстве случаев ПВХ, изредка
хайпалон; наружное покрытие обычно вдвое толще
внутреннего. Прочность колеблется в довольно широ¬
ких пределах: по основе — на разрыв 40—12 кН/м и на
раздир 200—450 кН; по утку, как правило, на 10—
20% ниже; реже — такая же, как по основе; как исклю¬
чение— выше на 5—10%. Относительное удлинение
при разрыве 25—30%. Толщина материала в среднем
0,5—0,8 мм, масса 600—800 г/м2, из которых на долю
текстильной основы приходится 25—30%. Обычная
(68% общей продукции) ширина полотнищ 190 см и ме¬
нее, реже (26%) встречается ширина 190—240 см, сов¬
сем редко (3%) ширина достигает или превосходит
340 см. Окраска покрытия в массе — любого цвета,
включая белый и черный. Противопожарные характери¬
стики: самозатухающие, огнестойкие, невозгораемые,
несгораемые — обеспечиваются введением в компози-
Таблица 3.2. Физико-механические характеристики пленок,
армированных капроновой сеткой (по [3.9] и [3.14])
Шифр пленки
Артикул
капроновой
сетки
Толщина,
мм
Масса,
г/м2
Кратковре¬
менная проч¬
ность, кН/м*
Длительное
расчетное
сопротивле¬
ние, кН/м*
ПС-40-П
21585
0,63
720
11,8/11,1
2,6/1,9
ПС-40-С
21585
0,68
760
11,5/10,8
2,,6/1,9
Тип А
23023/1
0,45
450
23,7/22
7.8/6,1
Тип АС
23023/II
0,51
510
23.1/22
8/6,7
ПС-200
22184
0,71
940
4.2/25
П/7
АР-27т
—
0,19
160
—
10/14
АР-10Л-2К
—
0,21
160
—
12/14
Вайвлок-1
21585
0,5
500
—
7,5/5
Вайвлок-П
23041
0,6
600
—
10/7,5
* В числителе направление вдоль рулона, в знаменателе — по¬
перек.
132

дионный состав покрытия антипиренов: сурьмы, триок-
сида и фосфорных солей.
Армированные пленки (табл. 3.2) обычно делают
трехслойными со средним, армирующим слоем в виде
тканой или нетканой сетки из тонких пластмассовых
жилок (типа капроновой лески) или нитей (крученых
или ровницы). Слои пленки соединяют между собой
(дублируют) тепловым способом, если они термопла¬
стичные, либо склеивают.
Значительно уступая по прочности материалам с
тканевой -силовой основой, армированные пленки встре¬
чаются лишь в оболочках сравнительно малых проле¬
тов.
Отличаясь высокой светопроницаемостью, армиро¬
ванные пленки являются идеальным материалом для
теплиц и оранжерей.
Однородные пленки, в отличие от армированных и
тем более — от тканей с покрытиями, не являются про¬
дуктом сложного технологического процесса, включаю¬
щего получение волокна, прядение, ткачество, нанесе¬
ние защитного покрытия. Однородная пленка — первич¬
ный и окончательный продукт химического производ¬
ства, не нуждающийся в дополнительных процессах, и;
в этом ее главное достоинство. Тем не менее современ¬
ным пленкам присущи недостатки, сильно ограничи¬
вающие возможности их использования для пневмати¬
ческих конструкций: высокая деформативность, недо¬
статочная прочность, недолговечность. Полотнища
высокопрочных пленок, например полиэтилентерефталат-
ных, трудно стыковать: будучи термореактивными, они
не свариваются, а клеевые швы холодного отвержде¬
ния не обеспечивают равнопрочности с основным ма¬
териалом. Полиэтиленовые пленки, наоборот, хорошо-
свариваются, однако малая прочность и высокая де¬
формативность позволяют использовать их лишь в со¬
четании с усиливающей сеткой, набрасываемой на пле¬
ночную оболочку. Такие пленки успешно применяют в
парниковом хозяйстве, а малая их долговечность (не
более одного сезона) компенсируется дешевизной.
Чтобы повысить прочность или придать особые
свойства, пленки иногда дублируют и даже делают
многослойными. Можно сослаться на пример пневмо¬
линз покрытия Площади фестивалей на ЭКСПО-70 (см.
рис. 2.29). Верхняя оболочка линз была шестислойной
133

(сверху вниз) ; погодозащитная 200 мк, теплоотражаю¬
щая 200 мк, силовая в три слоя по 250 мк, воздухонепро¬
ницаемая 50 мк), нижняя — пятислойная (без отражаю¬
щего слоя).
Один из наиболее существенных недостатков совре¬
менных материалов мягких оболочек — недолговечность.
Им свойственны старение, ползучесть, усталость. Если
раннее старение объясняется в первую очередь воздей¬
ствием климатических факторов, то ползучесть и уста¬
лость— следствие действия нагрузок. Старение, ползу¬
честь и усталость — функции времени. Раздельное или
совместное их действие проявляется в том, что к опре¬
деленному сроку службы материал оболочки перестает
быть достаточно прочным, наступает предельное со¬
стояние ко нстр укци и.
Старение материала вызывается совместным дей¬
ствием света, тепла, влаги, озона. Наиболее существен¬
ное проявление старения — падение прочности при
разрыве и раздире. Повышение жесткости покрытия
проявляется в его растрескивании.
Для полимерных материалов оболочки наиболее гу¬
бительна ультрафиолетовая зона спектра дневного
света. Срок их службы определяется получаемой дозой
ультрафиолетовой радиации (УФР), которая зависит
как от времени года, так и от географической широты.
Несмотря на некоторую разницу в чувствительности к
УФР различных волокон текстильной основы оболочки
(в порядке светостойкости: полиакрилнитрильные, по-
ливинилопиртовые, полиэфирные, полиамидные, поли¬
пропиленовые), разрушительное его действие тем за¬
метнее, чем тоньше или светлее материал защитного
покрытия.
При необходимости повышения светопроницаемости
материала оболочки приходится считаться с неизбеж¬
ным следствием этого — потерей прочности за сравни¬
тельно короткое время. В. П. Шпаков установил, что
потеря прочности светонепроницаемого материала 51-
019 в оболочках, смонтированных во Львове и Липец¬
ке, составляла 4—<8% за 1,6 года эксплуатации. За это
же время светопроницаемые участки оболочки, так на¬
зываемые световые полосы, из ткани того же артикула
полностью разрушились. Поэтому для световых полос в
оболочках необходимо использовать более прочную
текстильную основу.
134

Интересны данные о динамике падения прочности
материалов оболочек, находившихся в эксплуатации.
Результаты наших исследований 'показаны в [3.9]. Аме¬
риканская фирма «Сид-Эйр» (найлон + ПВХ) приводит
следующие данные [3.34]:
Годы эксплуатации | 1 | 2 | 3 | 4 | 5—7
Потеря прочности, % | 8 | 15 | 25 | 40 | 55
Потеря прочности за десять лет эксплуатации, по
данным фирмы «Клейер» (ФРГ), составляет 30%. Дру¬
гая западногерманская фирма, «Штромайер» после
9-летней эксплуатации испытала материал с текстиль¬
ной основой из тревиры, покрытой ПВХ. При светопро¬
ницаемости 40 и 50% потеря прочности составила со¬
ответственно 30 in 40%.
Влияние толщины покрытия (черный неопрен) на
прочность найлоновой ткани, экспонированной в тече¬
ние трех лет. 'показано на рис. 3.2,а [3.34]. Если чер-
Эксплуатация, мес
Рис. 3.3. Падение проч¬
ности материала оболоч¬
ки (найлоновая ткань,
покрытая светло-серым
ПВХ), смонтированной
в Подмосковье
1 и 2 — разрыв по основе и
утку; 3 и 4 — раздир по ос¬
нове и утку
^ Рис. 3.2. Падение проч¬
ности найлоновой ткани,
покрытой неопреном
а — черным; б — зеленовато¬
коричневым. Цифрами пока¬
зана толщина покрытия, мк
ный цвет заменить зеленовато-коричневым, прочность
упадет заметнее (рис. 3.2,6). Результаты испытаний
прочности образцов материала (найлон со светло-се¬
135

рым покрытием ПВХ) из эксплуатируемой оболочки,
проведенных авторами книги [3.9], показаны на
рис. 3.3.
Факт постепенного понижения прочности оболочки
в результате действия факторов светопогоды и нагруз¬
ки находит отражение в гарантийных сроках ее службы,
установленных некоторыми нашими предприятиями в
пять лет, или так называемыми ожидаемыми сроками
эксплуатации оболочек зарубежных фирм (табл. 3.3). К
Таблица 3.3. Ожидаемые сроки службы материалов
зарубежных фирм
Фирма
Страна
Текстильная
основа
Покрытие
Ожидае¬
мый срок
службы, г
Примечание
«Бэрдэйр»
США
Стеклоткань
Тефлон
20
«Файрсто-
»
Найлон
Неопрен
20
Для плотин
ун»
«Клейер»
ФРГ
—
15
«Бэрдэйр»
США
Стеклоткань
12—15
«Сканховер»
Норве1Ия
Тревира
. flRY
12—15
«Барраку¬
Швеция
Найлон
> 1 1 DA
10
В Швеции
да»
«Полидром»
»
»
10
«Бэрдэйр»
США
Дакрон
Неопрен
10
С покраской
»
»
Найлон
\
7—10
«Келлбро»
Англия
Терилен
5—10
«Сидэйр»
США
Найлон
> ПВХ
5—8
«Эйр-тех»
»
»
1
5—7
RFD
Англия
»
ПВХ
2
В тропиках
(хаки)
«Энка»
ФРГ
Тревира
ПВХ
51
»
»
»
101 2
»
»
»
153
«Поттер»
Англия
Полиэтиленовая плен-
2 зимы -f-
В теплицах
ка
+лето
1 При светопроницаемости 50%.
2 То же, 6—8%.
3 Светонепроницаемая.
сожалению, эти данные не имеют достаточного обосно¬
вания. В частности, совершенно неясна прочностная ха¬
рактеристика материала к концу срока гарантии. Ве¬
роятно, в это время материал еще достаточно прочен,
однако запас прочности уже ниже нормы. Если счи¬
тать, что по истечении гарантийного срока прочность
материала сохранит половину своего начального значе¬
ния, то ее убывающую величину в любое время мож-
136

но приближенно оценить коэффициентом деградации по
формуле
k= RhIRn = 1 -JV/2/\ (3.1)
где RH—нормативная прочность; Rn — прочность в Л/-й год; N —
порядковый номер года эксплуатации; Г —срок службы материала
в годах, гарантируемый заводом-изготовителем.
Ползучесть — явление медленной текучести мате¬
риала под действием длительных нагрузок — свойствен¬
на синтетическому волокну текстильной основы оболо¬
чек как упруговязкому телу. Его напряженное состояние
является функцией не только нагрузки, но и времени.
Можно считать, что уменьшение прочности материала
с капроновой основой в результате ползучести при
длительном приложении нагрузки характеризуется ко¬
эффициентом длительной прочности 6дл, который следу¬
ет логарифмическому закону вида
*дл = Дт/Я = lg7\ (3.2)
где Rr — прочность на Т-й день; R—кратковременная прочность;
А и В — эмпирические коэффициенты, зависящие от вида тканевой
основы и покрытия.
А. Д. Топпинг [3.21] рекомендует для -материалов с
найлоновой основой принимать А =0,72, В = 0,055, с
хлопчатобумажной — А = 0,54, В = 0,092.
Вычисленная по формуле (3.2) прочность на 1825-й
день (5 лет) составляет 45% начальной.
Предполагают, что и деформации материала также
следуют логарифмическому закону
If? = а “b ^ ^» (3.3)
где еt — относительное удлинение на t-Pi час; а, b — эмпирические
коэффициенты, зависящие от материала тканевой основы и ее на¬
пряженного состояния.
Японские исследования [3.37] винилонового мате¬
риала KV= 45,000 дают следующие значения а и Ь:
Напряжение,
кН/м
а
Ь
5
0,3797
0,03881
1,0
0,6186
0,02309
20
0,8353
0,2070
40
1,0436
0,3462
Отмечено, что ползучесть увеличивается с повыше¬
нием температуры.
Вычисленное по формуле (3.3) относительное удли¬
нение материала, испытывающего напряжение 40 кН/м,
137

составит на 100-й час (4 суток) 13%, а на 10 000-й час
(400 суток) — 15,2 %.
Усталость как явление, связанное с 'многократным
повышением и понижением растягивающих напряжений,
для материалов мягких оболочек исследована слабо.
Есть данные [3.37] о двух-трехкратном сокращении уд¬
линений при разрыве при 100—1000-кратной циклично¬
сти загружения, о росте секущего модуля упругости,
затухающем уже после 10 циклов. Отмечено, что с (по¬
вышением числа циклов нагружения разрывная проч¬
ность материала падает по логарифмическому закону,
но не очень интенсивно.
Расчетные сопротивления материалов оболочек су¬
щественно ниже величин разрывной прочности, полу¬
ченных при кратковременных испытаниях. Это сниже¬
ние обусловливается как неоднородностью материала,
так и падением прочности со временем в результате
ползучести и старения материала.
Нормативным сопротивлением считается величина
браковочного минимума прочности, которая обычно
принимается равной
= Яср * ^одн»
где /?Ср—средняя величина кратковременной прочности; &0дн— ко¬
эффициент однородности (&=1—3v); v — вариационный коэффи¬
циент.
Расчетное сопротивление получают путем деления
нормативного сопротивления на коэффициент безопас¬
ности по материалу, равный в нашем случае 1/6дл*Аст.
Инструкцией СН 497-77 i[4.7] приняты следующие
величины коэффициентов (исходя из пятилетнего срока
службы оболочки): &одн=0,8/0,7 (основа/уток);
£дл = 0,7; kcT = 0,5. Коэффициент безопасности по ма¬
териалу в этом случае составит k =1/0,7 -0,5=2,86.
Для сравнения с нормативами расчетной практики
за рубежом, где понятием «общий коэффициент запа¬
са» широко пользуются, найдем Азап= 1/£одн-А!дл-А!ст =
= 1/(0,8 ... 0,7)-0,7-0,5=3,5 ... 4.
Соответствующие данные зарубежных норм тако¬
вы: ФРГ — 5, США и Великобритания — 4, Япония —
2,5—3,3.
Анализ физико-механичеоких данных лучших оте¬
чественных и зарубежных материалов позволяет сфор¬
мулировать основные требования, которым должны
удовлетворять применяемые или вновь создаваемые
материалы оболочек воздухоопорных сооружений.
138

1. Силовая основа. Однослойная ткань из синтети¬
ческого (или неорганического) волокна (полотняного
переплетения («рогожка») из нитей низких номеров
(8—20) и малой крутки. Ширина рулона не менее
150 см, желательно 200 см.
2. Покрытие. Двухстороннее с распределением поли¬
мера в 60—65% на лицевую сторону и 35—40% на
внутреннюю. Адгезия к ткани не менее 15—25 Н/см.
Окрашиваемость в массе в любые цвета.
3. Прочность. Рекомендуется иметь материалы трех
групп прочности — легкие, средние, тяжелые:
Кратковременная прочность:
при разрыве, кН/5 см
» кН/м
при раздире, Н
Группа прочности
легкие
средние
тяжелые
2—3
3—5
более 5
40—60
60—100
» 100
400
500
600
4. Срок эксплуатации в условиях средних широт
(выше 45°)—не менее 7 лет (до потери прочности 50%)
в перспективе 10—15 лет.
5. Светопроницаемость (интегральная)—0—'20%.
По особому заказу — до 40% с соответствующим сни¬
жением срока эксплуатации.
6. Морозостойкость. Возможность эксплуатации обо¬
лочки при —50°С, монтажа при —30°С без признаков
повреждения покрытия или силовой основы.
7. Теплостойкость. Потеря прочности по сравнению
с прочностью при 20°С: при нагреве до 60°С не более
5%, при нагреве до 80°С не более 10%. Отсутствие
при нагреве до 80°С признаков размягчения покры¬
тия (липкость, текучесть, сморщивание).
8. Огнестойкость. Материал трудносгораемый и са-
мозатухающий, т. е. воспламеняется и тлеет только при
наличии источника огня; после его удаления горение и
тление прекращаются.
9. Стойкость к химическим реагентам (сильным кис¬
лотам и сильным щелочам, жирам и маслам, органиче¬
ским растворителям) —очень хорошая или хорошая, в
зависимости от функции сооружения.
10. Возможность сварки полотнищ, а также ремонта
при положительных температурах без применения спе¬
циальных режимов или приспособлений (термообра¬
ботка, высокое давление и др.).
139

3.2. РАСКРОИ ОБОЛОЧЕК
Мягкая оболочка—основной элемент воздухоопор¬
ного сооружения (рис. 3.4). Она состоит из собственно
оболочки с опорным контуром и ряда входящих в ее
состав деталей: тентов шлюзов с переходниками, мяг¬
ких воздуховодов или патрубков для их подсоединения,
мягких обратных и вентиляционных клапанов, узлов
крепления силовых элементов и оборудования и др.
Рис. 3.4. Оболочка воздухоопорного здания
1 — собственно оболочка; 2 — силовой пояс; 3 — тент шлюза; 4 — переходник;
5 — патрубок мягкого воздуховода; 6 — монтажный шов; 7 — световая поло¬
са; 8 — рукав разгружающего каната; 9 — вентиляционный клапан; 10 — вин¬
товой анкер; 11 — разгружающий канат
При выборе формы оболочки в первую очередь при¬
нимаются в расчет требования функции, прочности,
экономики, эстетики. Одновременно учитываются про¬
стота, удобство раскроя и его целесообразность, кото¬
рая характеризуется полнотой использования 'площади
полотнищ и минимальной протяженностью соедини¬
тельных швов. Как правило, оба эти показателя не
противоречат один другому. Соображения рациональ¬
ного раскроя обычно учитывают при компоновке объе¬
ма сооружения. И в тех случаях, когда форму не опре¬
деляют особые условия (сложность плана или архи¬
тектурные соображения), оболочка делается цилиндри¬
ческой или сферической.
140

Рис. 3.6. Меридионально-широтный способ раскроя полотнищ сфе¬
рического купола
Рис. 3.7. Нахлест швов при раскрое сферических оболочек
а — меридиональном; б и в — щиротцо-меридиональном
141

Цилиндрические поверхности раскраивают в виде
прямоугольных полотнищ без каких бы то ни было от¬
ходов. Протяженность швов, отнесенная к единице пло¬
щади поверхности оболочки, здесь минимальная.
Поверхности двоякой кривизны принадлежат к груп¬
пе «неразвертываемых», и их раскрой сопряжен с неко¬
торыми трудностями. По сути дела такие поверхности:
составляют из отдельных кусков цилиндрических или
конических поверхностей, угловатость сопряжений ко¬
торых сглаживается при наполнении их воздухом из-за*
некоторого вытягивания материала оболочки. Поэтому
здесь и далее речь идет о «теоретическом» раскрое.
Наиболее типичной для пневматических сооруже¬
ний поверхностью двоякой кривизны является сфериче¬
ская. Она может 'быть представлена рядом сферических
двухугольников, вершины которых находятся в полю¬
сах, а стороны направлены вдоль меридианов
(рис. . 3.5).
Применяются два способа раскроя сферических ку¬
полов: меридиональный (ом. -рис. 1.8) и широтно-мери¬
диональный (рис. 3.6) 1.
Если сравнить эти два способа раскроя (рис. 3.7),
то можно отметить, что меридиональный раскрой обес¬
печивает более гладкую поверхность оболочки в связи с
Рис. 3.5. Схема раскроя сферы
а — общая схема; б — шаблон полотнища полусферы
1 Математичеокий анализ двух вариантов меридионального рас-,
кроя дан в [3.15]. Широтно-меридиональный раскрой подробно рас¬
смотрен в [3.7],
Н2

ее дроблением узкими клиньями. Благодаря частому
расположению меридиональных швов прочностные ха¬
рактеристики оболочки достаточно однородны. К недо¬
статкам раскроя относится большой процент отходов
при кройке, теоретический объем которых для полусфе¬
ры составляет 1—2/я, т. е. более 36%, а также схожде¬
ние большого числа клиньев в одну точку (полюс), при¬
водящее к конструктивным трудностям, преодолевать
которые приходится постановкой полюсной шайбы —
«солнышка».
Отходы материала при широтно-меридиональном
раскрое очень невелики. Сокращается и общая про¬
тяженность швов. Однако в связи с уширением клиньев
форма этих оболочек становится не столь совершенной,
что позволяет рекомендовать этот раскрой только для
сооружения большого радиуса с расчетом, чтобы было
не менее 16 клиньев. Кроме того, разнонаправленность
швов приводит к трех-, а иногда и четырехслойному на-
хлесту швов (рис. 3.7).
Сферические купола с центральным угом ср^я вы¬
краивают обычно с полюсом в вершине (рис. 3.8,а).
При угле ф, равном я или немного его превышающем,
Рис. 3.8. Расположение полюсов при раскрое полотнищ сферических
оболочек
а —в вершине; б — у опорного контура; в и г — вне оболочки («мнимые по¬
люса» )
143

144

полюсы можно располагать на горизонтальной оси, од¬
нако это может быть оправдано лишь тогда, когда в них
будут расположены входные проемы, которые устраня¬
ют надобность в применении полюсных шайб
(рис. 3.8,6). При ф<я такое расположение полюсов
рационально во всех случаях, так как они становятся
«мнимыми», а отходы уменьшаются благодаря удале¬
нию ‘концевых участков, где потери материала особенно
велики (рис. 3.8,в, г).
Сферическими часто делают торцевые завершения
цилиндрических оболочек (рис. 3.9). При полуцилинд-
рической форме основного свода полюсы торцевой ча¬
сти могут быть расположены на вертикальной оси
сферы (рис. 3.9,а) или на горизонтальных—продольной
(рис. 3.9,6) или поперечной (рис. 3.9,б). В первом слу¬
чае полюсной шайбы избежать не удается, зато крае¬
вые полотнища, примыкающие к цилиндрической части
оболочки, совпадают с ее полотнищами по направле¬
нию тканевой основы — фактор, немаловажный для ор-
тотропного материала. Во втором случае, при располо¬
жении входного проема на продольной оси, надобность
в шайбе исчезает, однако вдоль линии сопряжения с
цилиндрической частью могут возникать дополнитель¬
ные напряжения, вызванные разномодульностью мате¬
риала и разнонаправленностью швов. В третьем случае
появляются две полюсные шайбы, зато соединение с
цилиндрической оболочкой получается наиболее орга¬
ничным.
Заслуживает внимания конструкция сферического
торца с «мнимыми» полюсам (рис. 3.9,г). Несмотря на
некоторую сложность раскроя, отходы здесь сущест¬
венно сокращаются. При таком раскрое необходимо
знать длину S дуги ЛВ, которая определяется радиусом
R сферы и двумя угловыми координатами а и у
(рис. 3.10,а):
Наиболее прост раскрой при цилиндрическом торце
(3.4)
При а = 45° (полуцилиндрический свод):
143

Рис. ЗЛО. Схемы к выводам формул раскроя полотнищ
а — сферической (формула 3.4); б — цилиндрической (формула 3.6); в — то¬
роидальной (формула 3.7)
146

цилиндрической оболочки (рис. 3.10,6). Полная ширина
торцовой стенки в координатах хоу
Ьх = 2 R sin -j- . (3.6)
д
Тороидальные оболочки выкраиваются из рулонного
материала, продольные кромки которого обрезают по
синусоиде. Уравнение ширины каждого полотнища
(рис. 3.10,в)
R + г cos
R+T
(3.7)
где b — ширина рулонного материала за вычетом нахлеста шва;
г и R — соответственно радиусы образующей и направляющей окру¬
жностей тора.
Уравнение опорного контура тороидальной оболоч¬
ки (кривые Персея):
(** + у* + z*;+ я»;- г*)\= 4 *■(*• + *а), (3.8)
где z — аппликата секущей плоскости.
Поиски новых форм прямоугольных в плане оболо¬
чек, рациональных по раскрою (минимум отходов) и
по объемно-планировочному решению, привели к ряду
новых решений поверхности воздухоопорных оболочек
(рис. 3.11).
К. Ишии [3.30] предлагает способ раскроя полот¬
нищ по геодезическим линиям. Раскройная форма
полотнищ определяется расчетом расстояний между
двумя геодезическими линиями. На рис. 3.12 показаны
планы таких оболочек, их разрезы и раскрой смежных
полотнищ. При сложных планах аналитическое выра¬
жение поверхности затруднено. Приходится ее заменять
многогранником, а геодезические линии криволинейной
поверхности аппроксимировать геодезическими линия¬
ми многогранника.
Поверхность оболочек сложных форм не всегда
нуждается в математическом анализе. Часто эти фор¬
мы являются не более чем отражением интуиции про¬
ектировщика и нуждаются в подтверждении возможно¬
сти их существования. Проектируя надувной павильон
закусочных на Нью-Йоркской выставке, архитектор
В. Ланди [3.33] вылепил его макет в виде плотной
грозди ягод (рис. 3.13,а). Естественно, мягкая оболоч-
147

Рис. 3.11. Раскрой оболочек,
перекрывающих прямоуголь¬
ный план
а — з — варианты
№

z
2
ка такой формы могла существовать только при систе¬
ме внутренних оттяжек (рис. 3.13,6).
Выше шла речь только о «теоретическом» раскрое,
не учитывающем удлинения материала после приложе¬
ния нагрузки. Методы, дающие возможность раскроить
оболочку так, чтобы она приняла нужную форму после
приложения нагрузки, значительно сложнее.
Зная площадь боковой поверхности S оболочки,
можно определить потребность в материале. Отходы и
нахлест швов составляют примерно 25% S. При состав¬
лении заявки на текстиль учитывается усадка ткани до
15% при наложении полимерного покрытия.
Формулы геометрии простейших оболочек приведе¬
ны в табл. 3.4,

нТТТТ
j
!
г 1 И -
1 1
лш-
• ! '
j-
-
:±:
L = 6 736мм
Рис. 3.12. Раскрой оболочки со сложными планами
а — Г-образным (план, два фасада, выкройки восьми полотнищ); б — амебо¬
образным (аксонометрия, два фасада, план при размере сетки 1X1 м, вы¬
кройка полотнища АВ с длиной геодезической линии 12,659 м)
3.3. СОЕДИНЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПОЛОТНИЩ
И МОНТАЖНЫХ СЕКЦИИ
Полотнища, из которых выкраивается оболочка,
соединяются между собой швами, главное требование к
которым заключается в равнопрочности их с основным
материалом оболочки. Как правило, достигнуть этого не
удается. Швы должны удовлетворять и ряду других
требований, предъявляемых к материалам оболочек:
во до- и воздухонепроницаемости, стойкости к агрес¬
сивным факторам. Добавляются, естественно, требова¬
ния прогрессивной технологии, простоты конструкции,
экономичности и т. ц,
150

ВИД ПО 1
151

Рис. 3.13. Оболочка над закусочной
вверху—глиняная модель; внизу—интерьер с оттяжками
152

Таблица 3.4. Геометрия цилиндрических и сферических оболочек
* «N
II
*
>»
X
а
я
я
>.
о
О)
5 о
g я
S с-
Ж О
я н
X
QQ
QQ
К
К
оо
I
со
5 S
ег о
я я
а а
<и о
•& н
о
а
QQ
I
ч
со
сэ
QQ
К
X
<N
CM
QQ
/—n
5s
l
К
1
+
CM
1
QQ
QQ
'ч—✓
QQ
X
<N
t?
t?
+
СМ
«5 S3
* I
-Q
QQ
QQ
QQ
CM
H
5;
CM
03
CO
5:
03
К
©-
СЧ
C
C/J
(M
OQ
К
QQ
53
К
CM
QQ
55
cm
+
©-
i
vo
О
К
S'
QQ
^ a-
I ч* О
+
£
см
03
CO
53
QQ ”
eT' ©■
^ ~ 1
I I К
QQ 05
*5 55
^ cm
£ ^
i ii
~т~ e-
C
QQ
I
+
53
£
QQ
QQ
I
+
©-
C
*35
QQ
Э-
c
"v>
QQ
QQ
I
+
5.
$
V
53
К
QQ
53
V
CM
s
<L>
VO
О
о S7
UQ cd
<D
►Д
sS 0,4
g s
£ s
О CL
Q)
t=;
о
CL
a
153

Рис. 3.14. Заводские швы
шитые: а — накладной; б — накладной с защитным отворотом; в — наклад¬
ной с защитной клеевой лентой; г — накладной с закрытыми срезами; д — зам¬
ковый (запошивочный); в —стачной; клееные; ж — накладной; з — наклад¬
ной с зашитой клеевой лентой; и — клеено-шитый; к — сварной
1 — шитый шов; 2 — клеевой шов; 3 — сварной шов
Швы бывают заводские и монтажные. Заводскими
швами полотнища соединяются между собой при изго¬
товлении оболочки. Монтажными швами обычно рас¬
154

членяются оболочки больших размеров, весящие более
1,5—2 т, транспортирование и монтаж которых стано¬
вятся затруднительными. Иногда монтажные швы
устраиваются в предвидении дальнейшего удлинения
сооружения или присоединения к нему дополнительных
объемов. Монтажных швов следует избегать ввиду
сложности их конструкции, трудоемкости изготовления
и монтажа, а также пониженной прочности. Поэтому
на практике встречаются примеры возведения оболочек
с площадью поверхности более 5 тыс. м2 и весом до
7,5 т без монтажных швов.
Заводские швы (рис. 3.14) бывают клееными, шиты¬
ми и сварными. Данные экспериментов показывают,
что в среднем прочность швов составляет от прочности
материала
Клеевых (при пересклейке 30—50 мм) 40—60%
Клеено-шитых двухстрочных .... 60—80 »
Шитых накладных с двумя-тремя стро¬
ками 65—75 »
Сварных 85—95 *
Клееные швы отличаются высокой герметичностью и
применяются только тогда, когда в герметичности есть
особая необходимость (пневмопанельные конструкции,
газгольдеры, аэростаты и т. п.).
Недостатками клееных швов являются: высокая
трудоемкость, падение прочности при повышении тем¬
пературы, старение, низкое сопротивление агрессивным
воздействиям светопогоды, в некоторых случаях — ток¬
сичность клеев.
Шитые швы очень распространены. Выполнение их
не требует высоких трудозатрат, производительность
швейных машин, особенно многоигольных, достаточно
высока, трудности сшивания больших и тяжелых по¬
лотнищ преодолеваются применением специальных ма¬
шин с длинным рукавом, передвигающихся на колесах
вдоль сшиваемых кромок. Иногда затруднения при сов¬
мещении сшиваемых кромок приводят к необходимости
предварительной их склейки перед прошивкой. В этом
случае шов становится клеено-шитым. Достоинство
его — высокая герметичность и несколько повышенная
прочность. Однако трудоемкость возрастает чрезвы¬
чайно, и стоимость оболочки резко повышается. Исполь¬
зовать такой шов можно только для пневмокаркасных
конструкций, где требуется высокая степень герметич¬
155

ности. Для оболочек воздухоопорных зданий его реко¬
мендовать нельзя.
Нитки, которыми сшивают швы, в отличие от мате¬
риала полотнища не защищены от воздействия света и
атмосферы, в связи с чем теряют свою -прочность быст¬
рее, чем основной материал, и швы становятся слабым
местом конструкции. Во избежание этого нитки прихо¬
дится защищать отворотом кромки полотнища (рис.
3.14,6) или наклейкой герметизирующих лент (рис.
3.14,в). Возможна защита ниток специальной смазкой —
лаком ХСПЭ, составом СПО-46 и др.
Прочность шитых швов зависит от 'многих факторов,
в том числе от физико-механических характеристик
ткани и нитей (табл. 3.5), а также параметров шва
частоты, шага и числа строчек), вида напряженного
состояния оболочки (одноосное, двухосное) и т. п. Сде¬
ланы попытки теоретического обоснования их прочности
[3.1, 3.2, 3.11]. Экспериментальные исследования ши¬
тых швов, выполненные рядом исследователей, приво¬
дят к следующим выводам:
Таблица 3.5. Характеристика нитей, применяемых для шитья
пневматических конструкций [3.11]
Условный но¬
мер
Диаметр, мм
Метрический
номер N
О 1
О
о | <
S *
н ^
Разрывная
прочность Р,
Н
Разрывная
длина, км,
L = Р N
Материал во¬
локна
Технические
условия
9к
13к
18к
0,25
0,15
9,2
11,3
19,1
108
88
52
37
28
17
34
32
32
Капрон
»
»
ТУ Р-4-8-56
7к
Зк
10к
2к
0,35
0,52
0,20
6
2,7
9,5
2
166
375
105
500
67
110
40
200
40
29
38
40
»
»
»
»
МРТУ 17-223-67р
48/12
34/10
34/18
0,29
0,40
0,35
4,9
3,3
1,7
205
306
590
61
122
209
30
40
35
Нитрон]
Лавсан |
» J
Опытные
1) разрушение шва происходит либо в результате
разрыва нитей, либо разрыва ткани, ослабленной про¬
колами иглой; при назначении числа швов следует стре¬
миться к равнопрочности обоих состояний, учитывая,
156

однако, постепенное снижение прочности ниток в ре¬
зультате их старения;
2) прочность шва (исходя из прочности нитей) зави¬
сит от числа строчек, расстояния между строчками и
частоты стежков;
3) прочность многострочечного шва сначала (до 3—4
строчек) растет почти пропорционально их числу, в
дальнейшем (после 5—6 строчек) практически не увели¬
чивается, хотя рост прослеживается и дальше (до 12—
15 строчек). Оптимальное число строчек дано в
табл. 3.6. Оно может быть определено по эмпирической
формуле, предложенной В. П. Шлаковым [З.Щ]:
По= 1,2Гкр/РЛ (3.9)
где п0 — оптимальное число параллельных строчек; Гкр — предел
прочности материала оболочки при одноосном кратковременном на¬
гружении, Я/см; Р — разрывная прочность ниток, Я; t — частота
стежков, 1/см;
Таблица 3.6. Оптимальное число прямых строчек шитых швов
[3.12]
Прочность
Оптимальное
ткани,
кН/'м,
Нитки
число строчек
Шифр
ткани
по
по
Нахлесг,
основе
утку
условный
номер
разрывная
прочность,
Н
основе
утку
мм
51-060
44
38
9к
Зк
37
ПО
3
2
2
2
30
30
П-1
75
84
Зк
ПО
3
3
30
109-ф
150
100
Зк
ПО
5
4
50
1101-ф
240
140
Зк
110
7
5
60
МАЦ-П
250
250
Зк
ПО
7
7
60
4) расстояние между строчками рекомендуется при¬
нимать 10—15 мм (не менее 8 мм);
5) частота стежков и толщина (номер) нитки за¬
висят от прочности (толщины) материала:
При толщине материала, мм 0,5—0,6 0,6—0,8 0,8—1,5
№ нитки 7 5 3
Частота стежка, 1/см . . . 2,5—3,3 2—2,8 2,5—1,6
6) в условиях двухосного растяжения прочность шва
снижается тем заметнее, чем больше число строчек; при
соотношении поперечных и продольных напряжений 2 : 1
и числе строчек три и более снижение доходит примерно
до 20—30%;
7) применение строчки «трехукольный зигзаг» вместо
157

йрямой в условиях одйбосйого растяжений повышает
прочность шва на 20—40%; при двухосном напряженном
состоянии строчки «зигзаг» прочность на 10—15% ниже;
8) при шитье продольная усадка шва (укорочение)
достигает 2%; это следует учитывать при рассмотрении
формообразования оболочки, тем более, что дополни¬
тельная жесткость сечения оболочки по шву также ведет
к сокращению удлинений в этом направлении (не менее
1 % при рабочих напряжениях);
9) прочность шитого шва всегда ниже прочности ма¬
териала оболочки; при оптимальном подборе параметров
шва максимальные показатели его прочности достигают
80—86% прочности материала, минимальные — 60—70%;
10) прочность двухстрочных швов невысока. Тем -не
менее они часто применяются при шитье цилиндриче¬
ских оболочек в швах, где меридиональные усилия вдвое
меньше кольцевых.
В. П. Шлаковым предложена формула расчета проч¬
ности [3.18] однострочечного прямого шва, исходя из ус¬
ловия прочности ниток.
В двухстрочечном шве усилие в оболочке делится
между обеими строчками поровну, в трех- и многостро¬
чечных швах на долю крайних строчек приходится боль¬
шая доля усилия, нежели на средние. Зная закон рас¬
пределения усилий между строчками шва (та'бл. 3.7),
можно найти наибольшее усилие, приходящееся на край¬
нюю строчку, и рассчитать ее прочность по формуле
[3.18].
Таблица 3.7. Распределение усилий между параллельными
строчками накладных прошивных швов [3.18]
(материал 51-019; нитки Зк, длина стежка 4 мм,
шаг строчки 40 мм)
Число строчек
в шве
Схема распределения усилий между строчка¬
ми, %
Относитель¬
ная прочность
шва
1
100
1
2
50 50
2
3
3,6,3 27,4 36,3
2,75
4
31,1, 18,9 18,9 3,1,1
3,22
5
28,9 15,3 11,6 15,3 2,8,9
3,46
6
2,8 13,7 8,3 8,3 13,7 28
3.57
Если прочность однострочечного шва в данных усло¬
виях равна 250 Н/см, то прочность многострочечных швов
(от 2 до 6 строчек) будет равна соответственно 500; 688;
158

806; 865; 892 Н/см. Поэтому для тканей № 51—019 с
прочностью 800 Н/см, снижающейся после шитья до 0,8Х
Х800=640 Н/см, наложение более трех строчек в шве
нецелесообразно.
Результаты экспериментального определения прочно¬
сти шитых швов, выполненного лабораторией пневмати¬
ческих конструкций ЦНИИСК, приведены в [3.8].
Сварные швы в последние годы решительно вытесня¬
ют шитье. Они прочны, герметичны, технологичны и бо¬
лее долговечны. Область их применения ограничена тка¬
нями, имеющими покрытия из термопластов, однако
большинство используемых в настоящее время полимер¬
ных покрытий термопластично.
Необходимое для сварки тепло либо отбирается от
нагретого инструмента (контактная сварка), либо гене¬
рируется внутри покрытия ткани при преобразовании
других видов энергии (токи высокой частоты, ультра¬
звуковые колебания).
Сварка токами высокой частоты высокопроизводи¬
тельна, но неприменима для некоторых видов покрытий
(полиэтилена, полипропилена и других неполярных
пластмасс). Ультразвуковая сварка — весьма перспек¬
тивный способ для соединения пластмасс вообще. Но
опыта использования ее для соединения полотнищ пнев¬
матических сооружений пока еще нет.
Монтажные швы оболочек: кромочно-тросовые, пет¬
левые, накладные и застежки «молнии».
Кромочно-тросовые швы (рис. 3.16) образуются про¬
пуском стальных тросов или капроновых фалов тол¬
щиной 12—16 мм через петли, прорезанные в подвер¬
нутых кромках соединяемых оболочек. Двойные швы
(рис. 3.15,6) в настоящее время широко распростране¬
ны.
При их испытании на одноосное растяжение [3.8]
достигнута средняя прочность 52—65% (максимум 73%)
прочности материала оболочки (сг=41 кН/м). При
двухслойной кромке, возможно, удалось бы получить
равнопрочный монтажный шов. Высокой прочностью
отличаются швы на скобах; у них ослабление материа¬
ла на кромках минимальное. Катенарные швы много¬
дельны в изготовлении и монтаже, но прочность их
сравнительно высока.
Петлевые швы (рис. 3.16) имеют в качестве соедини¬
тельного элемента капроновый шнур, образующий ряд

Рис. 3.15. Кромочно-тросовые монтажные швы
а — одинарный; б — двойной; в — на скобах; г — катеиарный
петель, пропущенных через люверсы. При соединении по¬
лотнищ петли последовательно продевают одну в дру¬
гую, образуя непрерывный ряд, причем последняя петля
заводится за костыль. Петлевые швы могут быть одно¬
рядными и двухрядными. Прочность однорядных швов
очень невысока. Двухрядные с петлями с одной стороны
прочнее, но далеки от равнопрочности с основным
материалом. В швах из материала 51-060
сдвижка и срыв люверсов наблюдаются при натя¬
жениях соответственно 4 и 5 кН/м, а разруше¬
ние— при 7 кН/м. Наибольшей прочностью из петлевых
швов обладают двухрядные с петлями с обеих сторон, но
и она составляет не более 40—50% прочности материа-
16Q

Рис. 3.16. Петлевые монтажные швы
а — однорядный; б — двухрядный с петлями с одной стороны; в — двухряд¬
ный с петлями с обеих сторон
л а. Достоинство петлевых швов в их быстроразмыкаемо-
сти — для разъединения достаточно снять последнюю
петлю с костыля. В некоторых случаях требование быст¬
рого раскрытия шва может быть .предусмотрено задани¬
ем на проектирование.
Накладные швы (рис. 3.17) снабжены люверсами и
скобками, через которые пропускается плоский или
круглый замыкающий шнур. Прочность их невысока, и
они применяются в ненапряженных соединениях (пере¬
ходников с тентами шлюзов и т. п.).
Монтажный шов типа б (рис. 3.17) отличается про¬
стотой, но непрочен. Шов типа в требует перфорирован¬
ных металлических полос, снабженных отбортовками для
упора кромок секций с заделанными в них фалами; этот
G За к. 540
161

шов герметичен и равнопрочен материалу оболочки.
Швы типа «молния» используют редко. Недостаток их —
в малой прочности, склонности к механическим повреж¬
дениям, подверженности коррозии.
Рис. 3.17. Монтажные швы
а — накладной; б — на деревянных
костылях; в — с металлическими
накладками; г — наружный герме¬
тизирующий фартук шва, изобра¬
женного на рис. 3.15,в
Все монтажные швы негерметичны и требуют допол¬
нительных средств герметизации. В большинстве случаев
это внутренние и наружные фартуки (рис. 3.17,г), кото¬
рые своей свободной кромкой пришнуровываются к обо¬
лочке или пристегиваются к ней кнопками или резиновы¬
ми пуклями. В петлевых швах применяют герметизи¬
рующие лепестки, сворачиваемые в рулон, развернуться
которому мешают петли и фартуки. Несмотря на все
эти мероприятия, утечки воздуха из-под оболочки, снаб¬
162

женной монтажными швами, повышены, что следует при¬
нимать во внимание при проектировании воздухоподаю¬
щих установок.
3.4. ОПОРНЫЙ КОНТУР И АНКЕРА
Опорный контур оболочки играет двоякую роль. Во-
первых, передает основанию усилия натяжения оболоч¬
ки, которая стремится оторваться от него при действии
избыточного давления воздуха и ветрового отсоса. Во-
вторых, герметизирует периметр стыка оболочки с осно¬
ванием, где утечки воздуха могут быть особенно ощу¬
тимы.
Если оболочка предназначена для длительной экс¬
плуатации и выполнения функций стационарногосоору-
Рис. 3.18. Стационарное крепление контура оболочки к ленточному
фундаменту
а —в — на болтах со стальными и деревянными накладками- с - - безболтовое
(по [3.2])
О* Зак. 540
163

жения, то обычно по ее контуру устраивается ленточный
фундамент. Нижнюю кромку оболочки, в которую встав¬
ляется периметральный фал, притягивают болтами к
фундаменту с помощью металлических или деревянных
прижимных планок (рис. 3.18), обеспечивая тем самым
простую и надежную передачу усилий и герметизацию.
При анкеровке оболочек в отдельных точках конст¬
рукция опорного контура усложняется. Задача заключа¬
ется в нахождении рационального способа трансформа¬
ции равномерно распределенных усилий в оболочке в
сосредоточенные силы, приложенные к узлам анкерных
креплений. Возникает необходимость в специальной рас¬
пределяющей конструкции. Ею служит силовой пояс.
От воздухоплавательных средств был унаследован
так называемый катенарный пояс (рис. 3.19,а—в). Его
достоинство в полном отсутствии металлических деталей,
однако он сложен, требует ручной работы, на которую
приходится до 25% трудозатрат на всю оболочку. На¬
пряжения оболочки вдоль катенарной линии распреде¬
лены неравномерно. Капроновые фалы, заделываемые в
кромку пояса, недолговечны и быстро перетираются о ме¬
таллические проушины анкеров. Поэтому петли обычно
заделывают в стальные коуши, а фалы пропитывают ан¬
тисептиками и укрывают наружными фартуками от воз¬
действия факторов светопогоды. Замена фалов стальны¬
ми тросами не только усложняет их заделку в нижшою
кромку пояса, но и ухудшает связь с материалом оболоч¬
ки, что приводит к проскальзыванию троса внутри оп¬
летки.
Прочность катенарного пояса определяется рацио¬
нальным соотношением его геометрических параметров и
прочностью фала. Испытания прочности пяти катенар-
ных поясов из материала с прочностью на разрыв
40 кН/м при шаге зубцов 100 см и высоте 20 и 30 см по¬
казали, что она находится в пределах 28—32 кН/м.
Обычные параметры катенарного пояса: шаг 100—150 см,
высота 7з—lU шага.
Развитием катенарного пояса можно считать лен¬
точный силовой пояс, примененный при изготовлении ма¬
лых оболочек (рис. 3.19,з). Пояс состоит из двух непре¬
рывных капроновых лент, пришитых к нижней кромке
оболочки так, что они образуют ряд петель с щагом50—
80 см, через которые пропускается периметральная тру¬
ба или (при малом шаге петель) трос. При частом рас-
164

Рис. 3.19. Типы силовых
поясов
а-в- катенарные; г-ж- кро¬
мочные; з —ленточный; и — сетча-
165

положении эта система лент превращается в сетку, ко¬
торая представляет собой довольно удачный вариант си¬
лового пояса (рис. 3.19,и).
Широкое распространение получил кромочный сило¬
вой пояс (рис. 3.19,г—ж), который прост, надежен и мо¬
жет быть применен как при стационарном, так и при
Рис. 3.20. Конструк¬
ции силовых поясов
а — катенарный, приши¬
тый к оболочке; б — ка¬
тенарный, выкроенный
из оболочки; в — ленточ¬
ный; г — сетчатый; д —
кромочный
1 — анкер; 2 — соедини¬
тельная деталь; 3 — ка¬
нат (фал); 4 — оболочка;
5 — катенарный пояс;
6 — внутренний (гермети¬
зирующий) фартук; 7 —
наружный (защитный)
фартук; 8 — контурная
труба (или трос); 9 —
капроновая лента; 10 —
тросовая петля
166

временном использовании оболочек. Пояс этого типа име¬
ет продольный карман, который образуется подверткой
нижней кромки оболочки. В карман вставляют перимет¬
ральную стальную трубу, пропуская ее через проушины
анкерных устройств, совмещенные с прорезями в кром¬
ке. Если может быть обеспечено точное совпадение про¬
резей с анкерами, то анкеры непосредственно соединя¬
ют с трубой (рис. 3.19,г); введение промежуточной
серьги (рис. 3.19,5) позволяет компенсировать неболь¬
шие местные накапливающиеся невязки размеров. И,
наконец, совершенно независимое взаиморасположение
прорезей и анкеров обеспечивает постановка двух ярусов
труб (рис. 3.19,е). Следует обратить внимание на необ¬
ходимость соединения труб между собой 'муфтами. Осо¬
бенно это существенно на криволинейных участках кон¬
тура. Резьбовое соединение не требуется, достаточно
шплинтования. Нижняя труба во всех вариантах сило¬
вых поясов может быть заменена тросом (рис. 3.19,в,
ж, и).
Детально конструкции силовых поясов показаны на
рис. 3.20. Герметизация контура при креплении оболочки
в отдельных точках достигается с помощью фартука, ко¬
торый присоединяют к нижней кромке оболочки изнутри.
Свисая вниз, фартук ложится на пол и, 'будучи прижат к
нему избыточным давлением воздуха, обеспечивает
практически достаточную герметизацию. На криволиней¬
ном контуре для лучшего прилегания к полу фартук ре¬
комендуется выкраивать в виде плоской шайбы, которая
ложится на горизонтальную поверхность без морщин.
Полезно устраивать и наружный фартук, который
выполняет двоякую функцию: закрывает ответственные
узлы силового пояса от атмосферных воздействий и от¬
водит дождевую воду от анкеров винтового или штыре¬
вого типа, несущая способность которых при увлажнении
грунта заметно падает.
Заманчива на первый взгляд идея использования в
качестве анкеровки периметральных труб, наполненных
водой, или балластных мешков с песком или местным
грунтом (рис. 3.21). Действительно, функции противовеса
и герметизации здесь удачно совмещаются. Однако реа¬
лизация этой идеи показала, что мешки приобретают
очень большие размеры и расход материала на их изго¬
товление составляет 20—40% расхода на оболочку. Учи¬
тывая подъемную силу и лобовое сопротивление ветру,
167

Рис. 3.21. Анкеровка балластными мешками
а — заполненными водой; б — грунтом
заттас ^массы балласта для создания противовеса избы¬
точному давлению воздуха приходится принимать по
крайней мере двойным.
Водяной балласт уместен при постановке оболочки
на воду. Тогда такое решение становится естественным
и практичным. Особенность водяного балласта плавуче¬
168

го сооружения выражается в стремлении воды к перели¬
ванию в пониженные участки балластной трубы. Поэто¬
му ей следует придавать переменное сечение (в соответ¬
ствии с изменением вертикальных усилий в контуре обо¬
лочки) и, кроме того, разделять водонепроницаемыми пе¬
реборками. Ветровое воздействие вызывает не только
деформирование контура, но и дрейф всего сооружения.
Этому должна препятствовать система оттяжек, заве¬
денных за донные якоря.
Анкера сопротивляются усилиям, направленным вверх
по касательной к оболочке в точках ее крепления. Это
выдергивающие усилия с преобладающей вертикальной
составляющей. Анкера можно разделить на две основ¬
ные группы: гравитационные и свайные. К гравитацион¬
ным относятся массивные фундаменты и балластные
мешки. Вертикальная составляющая опорной реакции
оболочки погашается их массой, горизонтальная — со¬
противлением сдвигу, которое может 'быть повышено не¬
которым заглублением в основание.
Анкера свайного вида типичны для мобильных воз¬
духоопорных зданий. Получили распространение два
типа анкеров — винтовые и штыревые (рис. 3.22). Вин¬
товые сваи можно вворачивать в мягкий грунт усилия-
Рис. 3.22. Анкера
а и б — большой и малый штопоры; в — винтовая свая; г — штырь
169

ми одного-двух человек; опыт применения таких свай
показал, что на погружение в грунт 2 и 3-й категории
требуется 5—10 мин. Для грунтов твердых, мерзлых и
тем более скальных они непригодны.
Штыревые анкера забиваются в грунт вручную ку¬
валдами или пневмомолоткамипод углом до 30° к верти¬
кали. Их сопротивление выдергиванию незначительно,
однако они более пригодны для твердых и гравелистых
грунтов. При постановке сооружения на мерзлый или
скальный грунт для каждого штыря предварительно
пробуривают шпур. Критическим сезоном для анкеров
бывает период оттаивания грунта, когда в связи с весен¬
ним перераспределением влаги вязкость грунта резко
падает. Весной нередки случаи выдергивания анкеров
(рис. 3.23,а).
Рис. 3.23. Выдергивание из грунта
а — штопоров при переувлажнении основания
товых свай с испытательными целями
(аварийный случай); б— вин-
Разновидностью свайных анкеров можно считать 'бе¬
тонные набивные сваи. В круглые ямы в грунте, проде¬
ланные ямобуром, закладывают стальные петли и зали¬
вают бетоном.
170

Сопротивление анкеров выдергиванию зависит от ви¬
да грунтового основания и заметно меняется с измене¬
нием его состояния. Поэтому наиболее надежный способ
его определения — пробное нагружение. В табл. 3.8
приведены результаты экспериментов, проведенных при
грунтах 2-й и 3-й категорий.
Только для винтовых свай теоретически обосновано
сопротивление выдергиванию :[3.6]. Оно складывается
из веса Q грунта в объеме конуса выпирания и силы N
сопротивления грунта отрыву:
Таблица 3.8. Технические показатели анкеров
к
Тип анкера
Масса, кг
Глубина
погруже¬
ния, м
Сопротивле¬
ние анкеров
выдергива¬
нию, кН
Винтовой штопор:
малый
2,8
0,5
4
большой
7,5
0,9
10)
Винтовая свая с лопастью:
D= 120 мм
2
0,7
9i
£=150 »
3
1
1,6
P = Q + N
я D2
4
уН
2 Я tgip
D
Я tg\|?
D
+
я Нс
cos ф
(D + Я tg ф),
(3.12)
где у — объемная масса грунта; ф— угол наклона образующей ко¬
нуса выпирания к оси сваи; Я — глубина погружения в грунт ло¬
пасти сваи, м; D — диаметр лопасти, м; с — удельное сцепление
грунта.
Угол ф можно принять при связанных твердых грун¬
тах равным углу внутреннего трения ф, при тугопластич¬
ных— 0,66ф, при насыпных грунтах со слабым уплотне¬
нием (у=1,5 ... 1,6 т/м3)—0,3ф. Удельное сцепление с
и угол внутреннего трения ф принимаются по {3.16].
Условие надежности анкеров:
макс Ty-a^k т Р,
где макс — максимальное усилие от натяжения оболочки, при¬
ходящееся на один анкер; а—шаг анкеров; k — коэффициент одно¬
родности грунта, принимаемый равным 0,7—0,8; т — коэффициент
условий работы винтовых свай.
Экспериментальной проверкой формулы (3.12), за¬
ключавшейся в испытании на выдергивание 144 винто¬
171

вых свай с диаметром лопастей 120 и 150 мм, заглублен¬
ных в супесчаные и суглинистые грунты в условиях ве¬
сеннего их переувлажнения, доказана возможность ее
практического использования. Рекомендуемая глубина
погружения лопасти винтовой сваи (5 ... 6) D.
Для определения макс T^=^Vl +Н2 цилиндриче¬
ской оболочки Г. Эггерсом составлен график рис. 3.24
[4.45].
При проектировании анкерных устройств воздухо¬
опорных сооружений .приходится считаться не только с
величиной опорной реакции оболочки, но и с ее направ-
тах У/Т(р(пунктирная линия)
Рис. 3.24. Усилия в анкерах цилиндрической оболочки от совместно*
го действия избыточного давления и ветра
Пример: /1=13 м; 6=20 м; h/b=0,65; р=0,3 кН/м2; <7=0,5 кН/м2; plq = 0,6.
По графику рис. 4.9а Т =0,8(0,3-г0,5) 10,35=6,62 кН/м. Пунктиром показан
ход решения: V0= Vn =1 -6,62 = 6,62 кН/м; Я0=0,455-6,62 = 3,01 кН/м; Нп =
=0,25-6,62=1,66 кН/м
172

Рис. 3.25. Горизонтальные составляющие опорных реакций оболочек
а — от внутреннего давления воздуха; б — от давления ветра (слева); в —
противодействие анкерных устройств горизонтальной составляющей
лением. Обычно существует еще и горизонтальная со¬
ставляющая опорной реакции, направленная либо
внутрь, либо наружу здания (рис. 3.25). А при действии
ветра она есть всегда. Это оказывает влияние на кон¬
струкцию анкеров. Свайные анкера должны быть прове¬
рены на способность противодействовать горизонталь¬
ным усилиям, гравитационные — на сопротивление сколь¬
жению по основанию, даже если они частично заглубле¬
ны в грунт.
3.5. ВОРОТА, ДВЕРИ, ШЛЮЗЫ, ЛЮКИ
Пневматические сооружения воздухоопорного типа
при всех своих достоинствах обладают существенным не¬
достатком: открытие дверных проемов сопровождается
утечкой воздуха из-под оболочки.
Чтобы оболочка потеряла свою устойчивость и ее ту¬
го натянутая округлая поверхность превратилась в об¬
мякшее полотнище, нужно, чтобы вышло очень немного
173

а I в
"б I
Рис. 3.26. Шлюзы
а — крупноразмерный с тентовым ограждением; б — в виде жесткой металли¬
ческой коробки; в — переходник между оболочкой и тентом шлюза
воздуха. Дополнительный объем воздуха, необходимо¬
го для создания избыточного давления:
£lV = V — «V — ,
Ра “Ъ Р Ра
где V — объем оболочки; ра — атмосферное давление, принимаемое
равным 100 000 Па.
174

Например, для наполнения оболочки размерами 50Х
Х25ХЮ м требуется 11 350 м3 воздуха. Чтобы она по¬
теряла свою устойчивость, которую обеспечивало созда¬
ваемое вентиляторами избыточное давление 150 Па, до¬
статочно утечки
150
Д V = 11 350 — = 17 м3 воздуха.
100 000 J
Для сокращения
потерь воздуха при
открывании входов ис¬
пользуют шлюзы (рис.
3.26). Шлюз имеет на¬
ружные и внутренние
двери (ворота) и каме¬
ру между ними, обыч¬
но обтягиваемую тен¬
том из того же мате¬
риала, что и основная
оболочка. При пользо¬
вании шлюзом откры¬
вается одновременно
только одна дверь;
давление воздуха в
шлюзе меняется от по¬
вышенного, равного
давлению в сооруже¬
нии, до атмоеферного.
Ширина шлюза для
людей 0,6—1,2 м, вы-
Рис. 3.27. Схемы каркасов шлю¬
зов
175

сота — до 2 м, длина — зависит от размера мелкой ноши
(носилки, тачки и т. п.), обычно она равна 1,5—3 м. Раз¬
меры грузовых шлюзов определяют габариты вводимой и
выводимой техники, которые могут быть очень значитель¬
ными (рис. 3.26,а).
Классическая конструктивная схема шлюза представ¬
ляет собой жесткий пространственный каркас (несущая
•система), тент (мягкое ограждение) и заполнение прое¬
мов (двери, ворота). Жесткий каркас состоит из двух
•портальных рам, удерживающих ворота, промежуточ¬
ных рам и связей, обеспечивающих пространственную
неизменяемость системы (рис. 3.27).
176

а
I
б
_Д
е
Рис. 3.28. Ворота шлю¬
зов
а — распашные; б — откат¬
ные двухстворчатые; в — от¬
катные одностворчатые; г —
распашно-откатные; д, е —
шторные соответственно с
горизонтальными и верти¬
кальными ребрами жестко¬
сти
177

Тент обычно натягивают поверх каркаса, крепя его
по контуру портальных рам и не связывая с промежу¬
точными; это дает тенту возможность свободно отходить
от промежуточных рам при открывании внутренних во¬
рот. При небольших размерах шлюзов, позволяющих
обходиться без промежуточных рам, возможна внутрен¬
няя подвеска тента. Встречаются шлюзы в виде жестких
коробок листовой конструкции; их целесообразно ис¬
пользовать в качестве контейнеров для .перевозки ком¬
плекта транспортабельного воздухоопорного здания.
Стыковка жесткой конструкции шлюза с мягкой обо¬
лочкой ставит последнюю в условия стесненных дефор¬
маций по линии контакта, следствием чего может быть
концентрация напряжений по стыковым швам. Для смяг¬
чения этих явлений, а также для более свободного рас¬
положения шлюза относительно оболочки между ними
вводится переходник—мягкий воротник, позволяющий
не только перемещать шлюз вдоль оси или по вертикали,
но и допускать некоторые развороты.
Имеются две основные кинематические схемы жест¬
ких воротных или дверных полотнищ: вращения (рас¬
пашные) и сдвига (откатные). Распашные ворота и две¬
ри обычно делают открывающимися внутрь помещения,
используя давление воздуха с целью улучшения уплот¬
нения притвора (рис. 3.28,а). Однако распашные полот¬
нища «съедают» часть полезной длины шлюза, застав¬
ляя увеличивать ее на размер ширины полотнища. Во
избежание этого наружные ворота делают откатными
(рис. 3.28,6). Внутренние откатные ворота менее удоб¬
ны, чаще их проектируют распашными. Открытию рас¬
пашных ворот препятствует давление воздуха. Во избе¬
жание этого в полотнищах устраивают небольшие
(200—300 см2) форточки, при открывании которых вы¬
равнивается давление воздуха с обеих сторон ворот или
дверей.
Дверные (воротные)' полотнища делают, как прави¬
ло, из жестких материалов — досок, фанеры, металличе¬
ских и пластмассовых листов, подкрепленных ребрами.
Представляет интерес шторное заполнение проемов
(рис. 3.28,6, е). Шторные двери (ворота) должны иметь
армирование в виде вертикальных или поризонтальныу
ребер жесткости.
Двери шлюзов для людей, открывающиеся внутрь
помещения, не совсем удобны при необходимости быст-
178

рой эвакуации, например
в случае пожара. Этот
недостаток преодолевает¬
ся устройством «уравно¬
вешенных дверей» (рис.
3.29), в которых давление
воздуха распределяется
поровну между жестко
связанными друг с дру¬
гом половинками ство¬
рок, вращающихся во¬
круг вертикальной оси.
Удвоения ширины шлюза
можно добиться устрой¬
ством скользящей оси
(рис. 3.29,6). Схемы
«уравновешенных» запас¬
ных дверей, предназна¬
ченных для экстренных
случаев и поэтому обхо¬
дящихся без шлюза, по¬
казаны на рис. 3.29,в.
Прочность и устойчи¬
вость каркаса рассчиты¬
вают исходя из двух ра¬
бочих состояний шлюза
(при наличии внутренне¬
го давления воздуха и
при его отсутствии) на
две комбинации нагру¬
зок: снег и ветер при от¬
сутствии избыточного давления; ветер при (избыточном
давлении и отсутствии снега. Последняя комбинация за¬
ставляет предусматривать крепление каркаса шлюза к
основанию. Обычно это достигается теми же средствами,
что и анкеровка основной оболочки.
К упрощенным конструкциям можно отнести шлюзы
«кошелькового» типа (рис. 3.30). Ввиду того, что внут¬
ренний каркас работает на сжатие, они применяются
для небольших проемов. Стремление к максимальному
облегчению комплекта воздухоопорного сооружения и
удалению металлических деталей приводит к отказу
от жесткого каркаса шлюза. На рис. 3.31 показаны кон¬
струкции мягких шлюзов.
4 г
2г
Рис. 3.29. Уравновешенные воро¬
та и двери
а — шлюз с четырьмя створками; б —
шлюз с двумя створками; в — двери с
одной створкой (два варианта)
1 — оболочка; 2 — закрытое положение;
3 — открытое положение; 4 — огражда¬
ющая решетка; 5 — тамбур; 6 — ось
вращения створок
179

Рис. 3.30. Шлюзы «кошелькового» типа
а — наружная и внутренняя шторы закрыты; б — открыта внутренняя штора;
в — открыта наружная штора
Когда через шлюз не надо проносить громоздкие
предметы, возможно устройство жесткого цилиндриче¬
ского тамбура с вращающимися дверями (рис. 3.32).
Ввиду незначительной утечки воздуха, такое устройст¬
во рационально при непрерывном пропуске больших
масс посетителей, например в выставочных павильонах.
Однако в этом случае необходимо организовать движе¬
ние так, чтобы избежать людского потока в правое и
левое полотнища одновременно. Если входами поль¬
зуются редко и только для прохода людей, то шлюза
может и не быть. Его заменяет лаз, закрытый мягким
полотнищем или жесткой крышкой, которые прижима¬
ются к проему давлением воздуха (рис. 3.33).
Чем крупнее габариты техники, хранимой, изготов¬
ляемой или обслуживаемой в воздухоопорном здании
по сравнению с его размерами, тем сложнее проблема
шлюзования. Когда крупногабаритная техника (суда,
самолеты, шагающие экскаваторы и др.) становится
соизмеримой с самим зданием, то идея воздухоопор¬
ной оболочки как бы изживает себя, поскольку эту тех¬
нику можно размещать уже не в здании, а в самом
шлюзе. Ввод и вывод техники таких размеров требует
полного или почти полного открытия торца оболочки.
180

Рис. 3.31. Мягкие шлю¬
зы
а — грузовой; б — г — само¬
уплотняющийся для людей;
д — самоуплотняющийся
трехступенчатый
1 — оболочка; 2 — тент шлю¬
за; 3 — оттяжки; 4 — наруж¬
ная штора; 5 — внутренняя
штора
181

Рис. 3.32. Шлюз в виде враща¬
ющихся дверей
вверху — общий вид; внизу — схема
/ — оболочка; 2 — цилиндрический
тамбур; 3 — дверные полотнища
Утечки воздуха при этой настолько велики, что ком¬
пенсировать их практически невозможно. Так возникает
проблема поддержания оболочки на время ввода или
вывода техники при полностью открытом торце соору¬
жения.
Есть два пути ее решения. Первый ведет к исполь¬
зованию различных механических устройств, поддер¬
живающих оболочку в т2ком состоянии, чтобы техника
проходила под ней беспрепятственно. Второй — привле¬
чение аэродинамических сил, создание направленных
потоков воздуха, препятствующих опусканию оболочки.
Следуя по первому пути, оболочку снабжают под¬
держивающим каркасом, на который она ложится на
то время, когда торец сооружения полностью открыт
для пропуска техники. Пэсле закрытия торцевой части
оболочку крепят к основанию, она наполняется возду¬
хом и снова превращается в воздухоопорную конструк-
182

Рис. 3.33. Лазы
вверху — мягкий овальный (вид изнутри); внизу-
снаружи)
/ — оболочка; 2 — лаз; 3 — полотнище; 4 — анкер; (
пришитая кромка)
круглый жесткий (вид
свободная кромка;
183

Рис. 3.34. Поддерживающий каркас из алюминиевых трубчатых
трехпоясных рам
вверху — в процессе монтажа; внизу — в эксплуатации
184

цию. При этом оболочка должна отходить от каркаса —
мера небесполезная, так как ее контакт с жесткими
конструкциями нежелателен ввиду опасности протира¬
ния или прокола.
Поддерживающий каркас — легкие арки или рамы
(рис. 3.34), рассчитанные на кратковременные нагруз¬
ки от собственной массы оболочки и действия ветра
ограниченных скоростей, в пределах которых разрешено
открывать торец. Поддерживающая система может
быть и тросовой, свисающей со стоек, установленных
по периметру сооружения. Помимо очевидных недо¬
статков этих конструкций — двух-трехкратного повы¬
шения веса, стоимости и трудоемкости монтажа, под¬
держивающие системы таят в себе еще одну скрытую
опасность, реальное существование которой подтвер¬
ждено практикой. Несмотря на то, что поддерживаю¬
щий каркас рассчитан на кратковременную эксплуата¬
цию при отсутствии ветра и снегового накопления, сам
факт его наличия провоцирует лиц, эксплуатирующих
сооружение, на выключение поддува воздуха. Многим
хозяйственникам кажется бессмысленным «гонять вен¬
тиляторы», когда оболочка спокойно лежит на каркасе.
Но она «лежит спокойно» лишь до первого ветра, снего¬
пада или дождя. После этого оболочка рвется, нередко
погибает и каркас, не выдерживая не предусмотренных
расчетом ветровых нагрузок или веса снеговых или во¬
дяных мешков. Отсюда часто делают поспешный вы¬
вод о негодности пневматических конструкций вообще.
Опасение контакта мягкой оболочки с металличе¬
скими поддерживающими конструкциями, а также со¬
ображения максимального «изгнания» металла из пне¬
вматического сооружения порождают идею использо¬
вать пневматический каркас для временного поддер¬
жания оболочки (рис. 3.35). Появляется комбинирован¬
ное пневматическое сооружение. В режиме нормальной
эксплуатации — воздухоопорное сооружение с пнев¬
моарками, стравленными и подвешенными к оболочке.
В режиме ввода-вывода техники — воздухонесомая
(точнее, пневмоарочная) конструкция с оболочкой, вы¬
полняющей теперь роль тента, поднятого у торца на
весь пролет арки.
Замена металлического каркаса пневматическим
дает некоторое снижение общего веса сооружения и
сокращает трудозатраты. Однако общая стоимость со-
185

Рис. 3.35. Комбинированное здание воздухоопорного типа с под¬
держивающим каркасом из пневмоарок (0 500 мм, р = 25 кПа)
вверху — в эксплуатации; внизу — при вводе-выводе техники
оружения повышается, и появляются недостатки, свой¬
ственные всем пневмостержневым конструкциям: необ¬
ходимость в специальной воздухонагнетательной уста¬
новке высокого давления — компрессоре, высокие тре¬
бования к герметичности оболочки и др. Остается опа¬
сение, что наиболее рациональный режим эксплуатации
сооружения — воздухоопорпый не будет использован
186

Рис. 3.36. Проектное предложение временно «ужесточаемого» воз¬
духоопорного здания
а — в воздухоопорном режиме работы; б, в — в пневмокаркасном режиме
/ — одинарная оболочка; 2—7 — нашитые полосы; S — воздуховод низкого
давления, подающий воздух в помещение; 9 — воздуховод высокого давления,
подающий воздух в нашитые полосы; 10 — отстегивающиеся от анкеров ка¬
рабины
(«Если оболочка держится на арках, зачем ее подду¬
вать?») .
В 1969 г. автором была предложена (заявка
№ 1435696/29-14) новая пневматическая система под¬
держания оболочки при открытом торце. От обычной
пневмоарочной поддерживающей системы она отлича¬
ется не только конструктивно, но и принципом дейст¬
вия, исключающим возможность неправильной ее
эксплуатации.
Пневматический поддерживающий каркас в данном
случае не является отдельной конструкцией. Он обра-
187

Рис. 3.37. Временно «ужесточаемое» воздухоопорное здание
вверху—в воздухоопорпом режиме работы; внизу—в пневмокаркасном режиме
188

Рис. 3.38. Воздушный занавес в виде встречного потока воздуха,
создаваемого шестью вентиляторами
зован поперечными и продольными полосами, нашиты¬
ми на оболочку так, чтобы при подаче в них воздуха
оболочка покрывалась системой арок и продольных
ребер, как бы «вспухающих» на ее поверхности и де¬
лающих ее настолько жесткой, что оболочка может
держаться без поддува (рис. 3.36). Давление воздуха в
этих полосах создается воздуходувкой с номинальным
напором около 10 кПа. Она может работать от того
же электромотора, что и основной вентилятор. Таким
образом, получается комбинированная конструкция, ко¬
торая обычно работает в режиме воздухоопорного со¬
оружения, а на время открытия торца — в режиме
пневмоарочного. Непрерывная работа воздуходувки
компенсирует возможные утечки воздуха, поэтому тре¬
бования высокой герметичности, предъявляемые к ар¬
кам пневмокаркаса, отпадают. Непрерывная работа
электродвигателя является характерной чертой эксплуа¬
тационного режима сооружения, поэтому повода для
его выключения быть не может. В этом можно усмот¬
реть гарантию сохранности оболочки. В соответствии с
этим предложением Уфимский завод РТИ после соот¬
ветствующей конструктивной проработки изготовил ком¬
бинированное пневматическое сооружение пролетом 12 м
с открывающимся торцом длиной 24 и высотой 6 м.
189

Испытания сооружения подтвердили рациональность
конструкции (рис. 3.37).
Второй путь поддержания оболочки на время откры¬
тия торца — воспрепятствование выходу воздуха из-
под оболочки встречным потоком.
В 1964 г. проф. Г. И. Покровский [3.10] предложил
«тормозить» выход воздуха из-под оболочки встречным
потоком воздуха, направляемым щелями особого про¬
филя вблизи выхода. Эта идея на практике не проверя¬
лась. Шведская фирма «Барракуда» для этой же цели
использует вентиляторы, вмонтированные во входной
портал (рис. 3.38). Эту систему применяли только при
сравнительно малых размерах проемов. Эффективность
ее действия при открытом торце не изучена.
Для поддержания оболочки может быть использо¬
вана реактивная сила газов. Так, если в мягких шлан¬
гах, подвешенных к потолку оболочки, сделать ряд от¬
крытых вниз отверстий (рис. 3.39), то нагнетаемый в
шланги воздух, вырываясь из отверстий, создает реа¬
ктивную подъемную силу, которая, возможно, будет до¬
статочна для противодействия силе тяжести оболочки
[3.4].
Рис. 3.39. Временно действующий пневмореактивный поддерживаю¬
щий каркас.
/— оболочка; 2 — портальная арка; 3 — промежуточная арка; 4 — коньковым
прогон; 5 — отверстия; 6 — ВУ, работающая непрерывно; 7 — ВУ, работающая
во время открытия торцовой части здания
190

3.6. ВЫРЕЗЫ И ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Оболочка воздухоопорного здания всегда требует
вырезов и подсоединения к ней разнообразных деталей.
Входные и световые проемы, вентиляционные и предо¬
хранительные клапаны, мягкие воздуховоды, диафраг¬
мы, оттяжки, подвески и др. в той или иной мере
влияют на напряженное состояние оболочки, и поэтому
все разрывы непрерывности, вызываемые вырезами или
присоединениями, должны быть компенсированы соот¬
ветствующими конструктивными мероприятиями: усиле¬
нием оболочки в местах вырезов, использованием си¬
ловых элементов для распределения сосредоточенных
усилий, приложенных к оболочке и т. д.
Небольшие (40—50 см) отверстия в оболочке окан¬
товывают подвернутой тканевой кромкой или наклад¬
ной лентой из того же материала, что и сама оболочка
(рис. 3.40). Отверстия могут быть и прямоугольными,
но во избежание концентрации напряжений, способ¬
ствующей раздиру ткани, вырезаемые углы закругляют.
Отверстия больших размеров делают в виде замкну¬
той кривой и по периметру окружают кольцевым раз¬
гружающим канатом, прочно заделанным в оболочку.
Во избежание перекосов и морщин в окрестностях вы¬
реза пропорции его должны соответствовать соотноше¬
нию главных натяжений. Доказано ([3.25], что вырез
должен быть эллиптическим с соотношением полуосей
a,lb = ^T2IT 1, причем эллипс вытянут в сторону больше¬
го усилия (при Т2>ТХ а>Ь). Если отверстие захваты¬
вает и опорный контур — случай, типовой для входных
проемов, — концы разгружающего каната не удается
соединить вместе, и их крепят за анкера. Обычно для
этого используют капроновый канат или стальной трос,
пропущенный через рукав, проходящий над входным
проемом.
Разгружающий канат, оконтуривающий определен¬
ный участок оболочки, полностью принимает на себя
все ее силовые функции. Поэтому ткань внутри кон¬
тура можно вырезать без ущерба для прочности обо¬
лочки. Кстати, в тех случаях, когда входной проем рас¬
сматривается как запасной, завод, изготовляя разгру¬
жающую систему, может самого выреза не делать,
предоставляя это потребителю, если таковой сочтет
нужным задействовать запасной выход.
191

91
6
Рис. 3.40. Вырезы в оболочке и их усиление оконтуривающими фа¬
лами и разгружающими канатами
а — прямоугольные; б, в — овальные; г — овальные с переходником; <5 — де¬
таль обрамления выреза
1,2 — обрамляющие канаты, соответственно наружный и внутренний; 3 —
анкер; 4, 5 — карман каната, соответственно внутреннего и наружного; 6 —
переходник; 7 — тент шлюза
192

Рис. 3.41. Соединение оболочки с каркасом шлюза
а — петлями и ремешками; б — петлями и монтажным фалом; в — перфори¬
рованными лентами и болтами
1 — стойка каркаса; 2 — тент; 3 — петля; 4 — ремешок; 5 — фал; 6 — переход¬
ник; 7 — перфорированная лента
При устройстве входного проема к вырезанному
участку оболочки присоединяют тент шлюза. Способы
соединения тента и переходника с каркасом шлюза
показаны на рис. 3.41. Соединение переходника с ос¬
новной оболочкой осложняется тем, что оно происходит
как бы «на весу» — без жесткой рамки. Поэтому же¬
лательно это соединение делать заводским, а не мон¬
тажным, выполняя переходник заодно с основной
оболочкой.
Вентиляционные отверстия с клапанами (рис. 3.42)
лучше всего располагать в верхней части оболочки.
7 Зак. 540
193

Рис. 3.43. Мягкий воздуховод
1 — оболочка; 2 — патрубок оболочки; 3 — воздуховод; 4 — обжимное кольцо
из профилированной стальной полосы; 5 — подвернутая кромка патрубка; 6 —
концевое кольцо жесткости воздуховода диаметром 12 мм; 7 — концевой отво¬
рот воздуховода; 8 — диффузор вентилятора
Однако, несмотря на наличие избыточного давления
воздуха, это может привести к подтеканию осадков.
Кроме того, отверстия становятся труднодоступными
для открывания. Рекомендуется располагать их на
высоте 2—2,5 м, обеспечивая возможность регулиро¬
вания, или открытие — закрытие. Учитывая другие воз¬
можности вентиляции — приоткрытие дверных проемов,
подъемов фартука, — вентиляционные отверстия де¬
лают не всегда. Иногда применяют предохранительные
клапаны, стравливающие давление воздуха под обо¬
лочкой при определенном его уровне. На рис. 3.42, г
показана конструкция клапана, выполняющего одно¬
временно обе функции. Регулировать уровень давления
можно, изменяя вес вкладного стального стержня.
Мягкие воздуховоды (рис. 3.43) обычно к оболочке
заводскими швами не прикрепляют потому, что возду¬
ховоды изнашиваются быстрее, чем оболочка, и требуют
периодической замены. Места ввода воздуховодов
194

а
<Г
в
Рис. 3.44. Присоединения мяг¬
ких воздуховодов
а — патрубки в оболочке для при¬
соединения воздуховодов (отвер¬
стия в оболочке еще не прореза¬
ны); б—прикрепление воздуховода
к патрубку с помощью металличе¬
ских обжимных колец; в — при¬
крепление воздуховода к диффузо¬
ру ВУ с помощью тросов с на¬
тяжным устройством
Лак. 540

оформляются в виде коротких (100—150 мм) патруб¬
ков (рис. 3.44), к которым при монтаже прикрепляют
воздуховоды. Рационально оболочку в пределах пат¬
рубков на заводе не прорезать, делая это при монтаже
по мере надобности.
Способы присоединения
воздуховодов к патруб¬
кам показаны на рис.
3.44,6, в.
Против каждого вво¬
да воздуховодов часто
устраивают струеоткло¬
няющие карманы (рис.
3.44), выкроенные из
того же материала,
что и оболочка. Их наз¬
начение— защитить лю¬
дей от потока воздуха,
подаваемого вентилято¬
ром. Направляя этот по¬
ток к потолку, струенап-
Рис. 3.45. Струеотклоняющие
карманы
вверху — общий вид; внизу—детали
§
I
196

Рис. 3.46. Присоединения к обо¬
лочке
вверху — пример; сбоку — варианты со¬
единительных швов
равляющие карманы спо¬
собствуют лучшему переме¬
шиванию воздуха и умень¬
шению скорости движения
его в помещении (сквозня¬
ков). Карман выкраивают
с таким расчетом, чтобы он
не создавал существенного
сопротивления потоку воз¬
духа и, кроме того, мог
бы закрыть входное отвер¬
стие для воздуховода при
выключении вентилятора.
Внутренние канатные
оттяжки и мягкие диафраг¬
мы в воздухоопорных зда¬
ниях работают на отрыв от
оболочки, что требует осо¬
бых конструктивных ре¬
шений.
197

Объединив ряд оттяжек одним силовым поясом
типа катснарного (рис. 3.46, а), можно превратить
несколько точечных нагрузок в одну линейную. Присо¬
единение этого пояса к оболочке представляет собой
узел, где сходятся три полотнища, растягиваемые в
трех направлениях, причем по крайней мере одно из
них работает на отрыв (рис. 3.46,6).
3.7. ОСВЕЩЕНИЕ И АКУСТИКА
Светопроницаемость материалов, силовую основу
которых составляет текстиль из синтетических или
стеклянных волокон, определяется в основном свето¬
проницаемостью защитного покрытия. Практически она
колеблется от 50% до нуля. В п. 1 этой главы отмеча¬
лось, что светопроницаемость покрытия ускоряет про¬
цесс старения синтетических волокон. В то же время
применение материалов, пропускающих дневной свет,
позволяет отказаться от устройства световых проемов
и обеспечивает естественное освещение помещения
(рте. 3.47). Признанным компромиссом считается ин¬
тегральное светопропускание материала 5—15%.
Широко используются комбинации материалов, обла¬
дающих разными светотехническими характеристиками:
нижнюю часть оболочки («стены») делают из материа¬
лов, совершенно не пропускающих свет, верхнюю («по¬
толок») — из более светопроницаемых. Часто устраи¬
вают не сплошные светящие потолки, а световые по¬
лосы, используя их одновременно и для достижения
некоторого архитектурного эффекта в фасадах и ин¬
терьерах.
В некоторых спортивных зданиях «стеновая» часть
оболочки делается умышленно из темного материала
(в теннисных кортах, чтобы лучше видеть белый мяч).
В плавательных бассейнах стремятся достигнуть наи¬
высшей светопроницаемости, даже прозрачности, полу¬
чая максимум света, солнца и «раскрываясь ланд¬
шафту», если таковой окружает здание бассейна. Вы¬
сокой светопроницаемости требуют также культива¬
ционные сооружения — теплицы, оранжереи и т. п.
Естественная освещенность воздухоопорного здания
является функцией двух параметров: светопроницае¬
мости материала оболочки и относительной площади
ее светопроницаемых участков. Чтобы обеспечить не-
198

а
б
Рис. 3.47. Естественное освещение воздухоопорных зданий (см.
с. 199—201)
а — с прозрачной оболочкой; б — со светопроницаемой оболочкой (Б-1); в —
со светящим потолком (Н-1); г — со световыми полосами (К-1); д — с вер¬
тикальным остеклением в рамах
199

в
200

д
201

Рис. 3.48. Графики изменения к. е. о. по поперечным (а) и продоль¬
ным (б) осям трех воздухоопорных зданий
1 — со световыми полосами (см. рис. 3.47,г); 2 — со светящим потолком (см.
рис. 3.47,в); 3 — со светопроницаемой оболочкой (см. рис. 3.47,6)
202

обходимое значение коэффициента естественной осве¬
щенности (к. е. о.), эти параметры варьируют. Авторы
[3.9] провели натурные светотехнические наблюдения
над несколькими воздухоопорными зданиями. Резуль¬
таты по трем из них (см. рис. 3. 47) приведены на рис.
3.48. Графики показывают, насколько освещенность в
здании Б-1, покрытом оболочкой из материала со срав¬
нительно низким коэффициентом светопропускания,
равномернее освещенности в зданиях К-1 и Н-1, снаб¬
женных световыми полосами. Следует упомянуть и об

Рис. 3.50. Акустические кессоны в виде подвешенных полотнищ (ста¬
дион в Понтиаке)
обычном вертикальном остеклении, которое вполне
доступно и возможно, если в воздухоопорном здании
предусматриваются плоские рамы с жестким обрамле¬
нием. I
В последние годы появились заманчивые предложе¬
ния регулирования освещенности и инсоляции с по¬
мощью пневматически управляемых систем. Впервые
по этому поводу высказался Н. Лаинг [3.32], предло¬
жения которого касались не только освещения, но и
использования солнечной энергии для обогрева или
охлаждения воздуха под оболочкой.
Особенность искусственного освещения воздухо¬
опорных зданий состоит в сложности установки све¬
тильников (рис. 3.49). Подвеска их к оболочке дает
хорошее освещение, но в случае падения давления воз¬
духа под оболочкой, тем более при ветре, лампы будут
раскачиваться и могут разбиться. Установка светиль¬
ников на стойках высотой 4—5 м — мероприятие более
дорогое, и освещенность будет менее равномерной.
Однако если стойки достаточно прочны и оборудованы
защитными дугами особой конфигурации, то в случае
непредвиденного опускания оболочки они не только обес¬
204

печат сохранность ламп, но и могут создать безопасные
при эвакуации зоны, где оболочка не ложится на пол.
Расположение светильников на полу или в проемах
гарантирует сохранность ламп в аварийных случаях.
Однако освещенность помещения ухудшается; положи¬
тельный эффект может быть достигнут лишь при высо¬
кой отражательной способности внутренней поверх¬
ности оболочки, на которую направляется свет снизу.
При проектировании искусственного освещения следует
иметь в виду, что освещенная изнутри оболочка свети¬
тся снаружи, что может быть использовано в интересах
архитектуры света и особенно цвета.
Акустика воздухоопорных зданий изучена мало,
однако известно, что выпуклые поверхности оболочек
способствуют фокусированию звука, порождают эхо.
Это особенно заметно в пустых залах цилиндрических
сооружений, оканчивающихся сферическими торцами.
Звукопоглощение туго натянутого гладкого материала
оболочки невелико и по своему уровню, вероятно,
мало отличается от звукопоглощения полов из линоле¬
ума или стен из бетона или оштукатуренного кирпича.
Как правило, все мероприятия, улучшающие акустику
обычных помещений, применимы и к воздухоопорным
зданиям.
Пологие своды с центром кривизны, находящимся
ниже пола, в акустическом отношении лучше высоких,
с центром на уровне человеческого роста. Оболочки,
поверхность которых раздроблена волнами или кессона¬
ми, образованными усиливающими канатами или се¬
тями, отличаются повышенными акустическими показа¬
телями. Иногда идут на устройство искусственных мяг¬
ких кессонов из подвешенных полотнищ (рис. 3.50) или
других подвесных систем, совмещая это с оформлением
интерьера.
Наконец, говоря об акустике воздухоопорных зда¬
ний, следует иметь в виду еще одну их особенность —
постоянный шум от работающих вентиляторов. Изме¬
рение уровня шума показало, что он зависит от распо¬
ложения вентиляторов по отношению к зданию, их
мощности и типа. Наиболее шумными считаются осевые.
Уменьшения шума вентиляторов достигают звукопогло¬
щающими кожухами или размещением вентиляторов
в пристройках, удаленных от оболочки. Шум внешний
(уличный) проникает через оболочку, которая частично
его отражает; количественными показателями степени
205

отражения никто не занимался ни теоретически, ни
экспериментально. Априори можно считать, что пологие
оболочки в этом отношении благополучнее подъемистых.
Глава 4
РАСЧЕТ ОБОЛОЧЕК
ВОЗДУХООПОРНЫХ ЗДАНИЙ
4.1. СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Положение рассматриваемой точки на поверхности
оболочки определяется пересечением двух линий — ее
криволинейных координат (рис 4.1). Если через точку А
провести нормаль к поверхности и принять ее за ось -г,
а оси х и у (на касательной к точке А плоскости) вра¬
щать относительно оси г, то можно найти такое поло¬
жение, когда кривизны
К\ и К2 линий т А тг и
п А п' на поверхности
оболочки, соответствую¬
щие криволинейным осям
аир, примут экстремаль¬
ные значения. В теории
поверхностей доказывает¬
ся, что когда одна из них
будет наибольшей, то дру¬
гая окажется наимень¬
шей. Эти кривизны назы¬
ваются главными, а соот¬
ветствующие им радиусы
Ri=\IKi и
главными радиусами
кривизны.
206
Рис. 4.1. Система координат и обо¬
значений теории оболочек

Средней кривизной поверхности называется выраже¬
ние
_ r/Ci+/C^_n
2 ; 2
1 _1_\
+ R2 ) '
Важной характеристикой поверхности
гауссова кривизна:
Г = Ki К2 =
1_
Ri R2
(4.1)
является
(4.2)
По этому признаку поверхности оболочки делят на три
класса:
I — положительной (Г>0) гауссовой кривизны, т. е.
двояковыпуклые, синкластические (сфера, эллипсоид,
двухполостный гиперболоид);
II — нулевой (Г=0) гауссовой кривизны — цилин¬
дрические и конические поверхности;
III — отрицательной (Г <0) гауссовой кривизны,
т. е. выпукло-вогнутые, антикластические (однополо¬
стные гиперболоиды, гиперболические параболоиды).
Существуют оболочки смешанной кривизны, у кото¬
рых она на различных участках имеет различные знаки
(тороидальные и некоторые другие поверхности).
В оболочках вращения одно направление главной
кривизны К\ определяется сечением поверхности обо¬
лочки плоскостью, проходящей через ось вращения.
207

Другое направление Кг определяется сечением оболоч¬
ки плоскостью, перпендикулярной первой и (совпадаю¬
щей с нормалью в рассматриваемой точке. Это сечение
составляет угол <р с осью вращения.
На рис. 4.2 изображена оболочка, образованная
вращением кривой GND вокруг оси AD. Линии пере¬
сечения поверхности вращения плоскостями, проходя¬
щими через ось вращения, называются меридианами.
Линии пересечения ее плоскостями, перпендикулярными
этой оси, — параллелями. Все меридианы одинаковы:
все параллели — дуги окружностей.
Рассматривая на оболочке точку N, линию GND
считают ее меридианом; окружность, проходящую через
N, — ее параллелью. Радиус кривизны NH меридиана в
точке N называют первым главным радиусом кривизны
R1. .Радиус кривизны следа пересечения оболочки пло¬
скостью М, перпендикулярной в точке N к меридиану,
считается вторым главным радиусом NB кривизны R2
Оба радиуса лежат на нормали KN.
Если r=r (z) —уравнение меридиана, то для точки
N дифференциальная геометрия дает соотношения:
Sin ф =
(1 +г'г)Чг ’
(1+г'-),/
COS ф =
^уГГ’ ‘еч> = тг; (4-3)
R1 =
; Л, = г (1+0
7. =
^sin ф *
Г =
г(1+г')
(4.4)
4.2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ГИПОТЕЗЫ
Воздухоопорные оболочки по форме мало отличаются
от тонкостенных оболочек из жестких материалов. Од¬
нако как объект статического расчета они обладают ря¬
дом особенностей, существенно отличающих их от обо¬
лочек, жестких по природе материала.
Для материалов пневматических конструкций харак¬
терны высокая прочность при растяжении, малое сопро¬
тивление сдвигу и полная неспособность к сопротивле¬
нию сжатию и изгибу. Поэтому стабильность их формы
•при действии таких нагрузок, которые порождали бы
сжимающие усилия в геометрически подобных жестких
208

оболочках, может быть
обеспечена лишь при ус¬
ловии заблаговременно-'
го натяжения мягких
оболочек ! избыточные,
давлением воздуха, сте¬
пень которого сообразу¬
ется, с одной стороны, с
необходимостью погаше¬
ния сжимающих усилий,
с другой — с прочностью
материала.
Под действием на¬
грузок мягкая оболочка
деформируется1. Можно различать три ее состояния
(рис. 4.3): начальное, или раскройное (давление возду¬
ха в оболочке превышает атмосферное лишь настолько,
чтобы придать ей форму), исходное (давление воздуха
достигает эксплуатационного уровня) и конечное (к
надутой оболочке приложены внешние нагрузки).
Разработка методики расчета мягких оболочек начи¬
нается с выбора модели материала. Можно сформулиро¬
вать несколько гипотез, полагающих, что материалы на¬
делены определенными свойствами (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Гипотезы о свойствах материалов оболочек
Модуль упругости
Гипотеза
Свойство материала
р
p
раст
СЖ
I
Недеформируем
оо
oo
II
Нерастяжим
оо
0
III
Линейно упруг
const
0
IV
Нелинейно упруг
f(o)
0
V
Нелинейно упруго-вязок
/(or, t)
0
Первая гипотеза дает наиболее идеализированное
’представление о материале. Ее принятие равносильно
признанию неизменяемости геометрии оболочки.
Вторая гипотеза допускает изменения формы оболоч¬
ки при условии нерастяжимости материала. Эти измене¬
1 Деформации мягких оболочек, в отличие от жестких, являют¬
ся следствием не только удлинений (положительных и отрицатель¬
ных) материала под действием мембранных усилий, но и перемеще¬
ний оболочки, связанных с ее новым равновесным состоянием, соот¬
ветствующим изменению нагрузки.
Рис. 4.3. Три состояния воздухо¬
опорной оболочки
1 — начальное; 2 — исходное; 3 — ко¬
нечное
209

ния являются следствием либо изгиба оболочки с гео¬
метрически изгибаемой поверхностью (например, ци¬
линдрической), либо образования складчатых зон, соот¬
ветствующих местам возникновения сжимающих усилий
в оболочках геометрически неизгибаемых. Принятие этой
гипотезы позволяет решать задачи, связанные с дей¬
ствием неравномерных и сосредоточенных нагрузок.
Остальные гипотезы считают материал оболочки
растяжимым и используются при построении общей
теории мягких оболочек, когда напряженно-деформиро¬
ванное состояние оболочки описывается системами урав¬
нений, где исключено раздельное рассмотрение удлине¬
ний и перемещений. Различие между этими гипотезами
заключается во взглядах на характер связи между на¬
пряжениями и удлинениями.
Третья гипотеза полагает, что эта связь линейна, и
если материал изотропен (однородные сплошные плен¬
ки, металлическая фольга), то
ei — (7i— vT2)\ е2 = (Т2 — v7\)*,
где v —коэффициент Пуассона;
если материал ортотропен (импрегнированные ткани и
армированные пленки), то
ei = (ЩС — vT2); £2 — (СТ2 — v7T),
де С = V Ei/E2 ; Е = У £1 £2 ; v = vi2 E/Ei = v21 £/£2.
Основой для такого предположения являются данные
эксперимента в виде так называемых нормальных харак¬
теристик материала, из которых можно усмотреть, что
после сравнительно короткой стадии первоначальной
вытяжки материала, дальнейшие деформации 'близки к
линейным. Учитывая, что предварительное натяжение —
обязательное условие существования пневматических
конструкций, это предположение может быть оправдано,
тем более, что в диапазонах рабочих напряжений мате¬
риалы растягиваются в сравнительно небольших преде¬
лах. Кроме того, деформации строительных оболочек,
вдоль опорного контура, как правило, стеснены.
Прирост усилий в оболочке от избыточного давления
* Размерность усилий, отнесенных к единице длины сечения
оболочки, нормального к действующей силе, обычно в кН/м, хотя в
справочных данных по материалам часто можно встретить кН/5 см.
Такова же размерность модуля Е нормальной упругости.
210

воздуха р как результат увеличения ее размеров при уд¬
линении материала невелик. Для сферических оболочек
с начальным радиусом R он составляет:
д т =
PR (1 — у)
2Е
Например, при pR=lQ кН/м; £=100 кН/м и v=
= 0,25 прирост усилий АТ не превышает 4%, т. е. нахо¬
дится в пределах точности практических расчетов.
Учет физической нелинейности материала, преду¬
сматриваемый четвертой 'гипотезой, приводит к большим
математическим затруднениям. Поэтому усилия созда¬
телей теории мягких оболочек в настоящее время на¬
правлены на материалы с линейно-упругими характери¬
стиками. Но попытки учета нелинейных физических
свойств материала известны, например выполненные
Ю. А. Морозовым под руководством автора работы по
расчету пневматических балок [4.23, 4,24].
Физические характеристики реальных материалов,
однако, еще более сложны. Полимерные материалы об¬
ладают по своей природе свойствами упруго-вязко-
пластичеокого тела. Мало того, они заметно меняют
свои физико-механические показатели под действием
факторов свето-погоды, температуры и просто времени.
Деформации являются следствием неравновесного про¬
цесса, развивающегося в функции времени по опреде¬
ленным законам. Для его понимания строят сложные
реологические модели, наделенные свойствами упруго¬
сти, пластичности и вязкости. Эти особенности отраже¬
ны пятой гипотезой.
Гипотезы III—V позволяют различать все три со¬
стояния мягкой оболочки (см. рис. 4.3). Гипотеза II не
делает различия между начальным и исходным состоя¬
ниями. При принятии гипотезы I понятия «начальное»,
«исходное» и «конечное» состояния оболочки совпадают.
В конечном счете задача расчета пневматических
оболочек сводится к следующему:
выявлению характера и размера силовых воздействий
(нагрузок) на оболочку;
установлению физико-механических свойств материа¬
лов оболочек и обоснованию расчетных сопротивлений;
определению напряженно-деформированного состоя¬
ния оболочки.
Хотя формально эти вопросы общие для расчета
всех видов строительных конструкций, тем не менее при¬
211

менительно к пневматическим они нуждаются в особом
рассмотрении. Мягкие оболочки обладают столь ярко
выраженной специфичностью, что, как правило, решение
любой из приведенных выше трех задач, вполне пригод¬
ное для конструкций из жестких материалов, к мягким
оболочкам, строго говоря, неприменимо
Рассматривая проблему расчета пневматических обо¬
лочек, следует подчеркнуть, что совершенствование ме¬
тодов определения их напряженно-деформированного
состояния как основного раздела теории мягких оболо¬
чек должно сопровождаться соответствующим по глу¬
бине научной проработки обоснованием расчетных пара¬
метров— нагрузок на пневматические сооружения и рас¬
четных сопротивлений материалов оболочек. Ненадеж¬
ное обоснование этих параметров лишает смысла совер¬
шенствование расчетного аппарата, ибо известно, что
точность расчета не может быть выше точности входя¬
щих в него величин.
4.3. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ
СОСТОЯНИЕ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК
Неспособность материала мягкой оболочки сопротив¬
ляться изгибу и сжатию влияет решающим образом
на ее напряженное состояние. Во-первых, оно может
быть только 'безмоментным, во-вторых, развивающиеся
в оболочке нормальные усилия не могут быть сжимаю¬
щими. Если оболочка выкроена так, что при действии
системы нагрузок описанное состояние не возникает, то
она принимает такую единственно возможную равновес¬
ную форму, которая исключает явления изгиба и сжа¬
тия. Если оба главных натяжения оболочки являются
растягивающими, то ее напряженное состояние назы¬
вается двухосным. Если одно из главных натяжений ока¬
зывается сжимающим (по деформациям), то напряжен¬
ное состояние оболочки будет одноосным.
Нулевые усилия одновременно в двух направлени¬
ях невозможны.
Одноосное напряженное состояние не характерно для
пневматических строительных конструкций, хотя вполне
возможно и часто возникает при действии временных
нагрузок (например, ветра). Оно не охватывает всю по¬
верхность оболочки, а является местным, и области од¬
ноосного напряжения соприкасаются с областями ^двух¬
212

осного напряжения. Оболочка в каждой из этих обла¬
стей рассчитывается раздельно, с учетом выполнения на
их границах условий сопряжения, заключающихся в ра¬
венстве между собой больших главных натяжений и ра¬
венстве нулю второго главного натяжения двухосной
области, а также условия непрерывности координат и
их первых производных (условия гладкости).
Разрабатывая общую теорию оболочек [4.3],
проф. С. А. Алексеев сформулировал три ее основные за¬
дачи.
Первая: задана форма оболочки в конечном состоя¬
нии под действием известных нагрузок; требуется опре¬
делить начальную (раскройную) форму. Задача сравни¬
тельно проста и требует в общем случае интегрирования
двух систем линейных дифференциальных уравнений
первого порядка в частных производных; для оболочек
вращения решается с помощью одной квадратуры. Для
целей строительной практики задача нетипична, хотя в
ней можно усмотретъ возможные пути решения других,
прямых (но обратных этой) задач путем попыток.
Вторая: определение конечной формы оболочки по
известным нагрузкам и заданной начальной форме. При
решении задачи возникают значительные математиче¬
ские трудности: приходится иметь дело с нелинейными
дифференциальными уравнениями в частных производ¬
ных второго порядка со сложной структурой.
Третья: известно исходное состояние оболочки (на¬
грузки, форма, напряжения). Требуется определить ко¬
нечную форму и напряжения, возникающие под дейст¬
вием дополнительной системы нагрузок. Эта задача от¬
крывает пути разработки практических методов расчета,
основанных на тех упрощениях, которые становятся
возможными, если приращения напряжений и изменения
формы оболочки под действием дополнительной системы
нагрузок считать малыми. Тогда можно получить систе¬
му линейных (линеаризированных) уравнений, интег¬
рирование которых хотя и сложно, но при использова¬
нии численных методов вполне доступно.
Многочисленные попытки разработки теории расчета
мягких оболочек развиваются в трех основных направ¬
лениях, которые можно назвать математической, техни¬
ческой и элементарной теориями.
Математическая теория отличается наиболее строгим
•подходом. Ее цель — определение напряженно-деформи-
213

ров энного состояния оболочки с учетом нелинейных
связей как между усилиями и деформациями (физиче¬
ская нелинейность), так и между деформациями и пере¬
мещениями (геометрическая нелинейность). Теорию от¬
личает большая сложность уравнений, которая сущест¬
венно возрастает при дальнейших уточнениях расчетных
параметров, например учете анизотропии и реологиче¬
ских свойств материалов, изменений нагрузок при фор¬
моизменениях оболочки или, наконец, при -больших ее
деформациях. Эта теория приводит к двухмерным крае¬
вым задачам, содержащим сложные нелинейные систе¬
мы дифференциальных уравнений в частных производ¬
ных.
Исследования деформаций безмоментной оболочки в
краевой зоне, выполненные Ю. Н. Работновым [4.32],
открыли возможность построения так называемых техни¬
ческих теорий, где напряженно-деформированное со¬
стояние оболочки разбивается на два—основное и до¬
полнительное. Основное может быть описано уравне¬
ниями безмоментной линейной теории, дополнитель¬
ное — системой уравнений, линеаризованных относи¬
тельно основной.
Элементарная теория основана на линейной безмо¬
ментной теории оболочек, исключающей все физические
и геометрические факторы, приводящие к нелинейным
зависимостям. Материал оболочки считается нерастя¬
жимым, геометрия — неизменной; краевой эффект не
учитывается. Это позволяет применить весь арсенал
формул классической безмоментной теории к оболоч¬
кам, которым не присущи разрывы непрерывности в
нагрузках, кривизне, а также толщине или жесткости
материала.
Стоит упомянуть еще об одном пути решения зада¬
чи расчета воздухоопорных оболочек — моделировании.
Оно прекрасно решает задачи нахождения формы обо¬
лочки при статических и аэродинамических нагрузках.
Однако тензометрические задачи моделированием реша¬
ются гораздо хуже.
Математическая теория мягких оболочек в настоя¬
щее время развивается в основном на базе III гипотезы
о свойствах материалов. Несмотря на то, что при этом
исключаются дополнительные трудности, связанные с
физической нелинейностью материала и реологичес¬
кими явлениями, ее задачи остаются чрезвычайно
214

сложными. В .принципе они разрешимы (если призна¬
ком разрешимости считать наличие достаточного числа
уравнений). Проф. В. Э. Магула в [4.21], например, при¬
водит систему 11 уравнений (три уравнения равновесия,
три условия Петерсона — Кодацци и Гаусса, три урав¬
нения физических соотношений и два — связи коорди¬
нат) для нахождения следующих 11 неизвестных:
трех погонных компонентов внутренних уси¬
лий— нормальных и касательных (Гь Т2у S),
двух коэффициентов первой квадратичной формы
деформированной поверхности (Л, В), трех коэффициен¬
тов второй квадратичной формы (L, М, N), одного ко¬
ординатного угла х, Двух степеней удлинения элемента
в направлении первой и второй координаты (Хи Х2). Си¬
стема предназначена для определения напряженно-де¬
формированного состояния геометрически изменяемых
и неизменяемых мягких оболочек и дает полное о нем
представление при известных геометрических и стати¬
ческих граничных условиях.
Однако интегрирование нелинейных дифференциаль¬
ных уравнений высокого порядка в частных производ¬
ных сталкивается с трудностями, несравненно больши¬
ми, нежели их составление. Достижения математической
теории мягких оболочек ограничиваются решением узко¬
го круга задач, в которых интегрирование уравнений
выполняется сравнительно просто. Это длинные цилинд¬
рические оболочки с нагрузкой, постоянной вдоль обра¬
зующей (что дает возможность свести задачу к одно¬
мерной, типа мягкого кольца), или оболочки вращения
с осесимметричной нагрузкой — единственный вариант
двухмерной задачи.
Попытки расчета оболочек иных форм, даже таких
сравнительно несложных и распространенных, как ци¬
линдрические со сферическими или цилиндрическими
окончаниями, методами математической теории мягких
оболочек пока что оказываются бесплодными.
4.4. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК
Значительные математические трудности, возникаю¬
щие при попытках интегрирования дифференциальных
уравнений общей нелинейной теории мягких оболочек,
приводят к численным методам расчета, реализуемым
на ЭВМ. Наиболее эффективными для этой цели приз¬
215

наны метод конечных разностей и метод конечных эле¬
ментов. Как правило, оба базируются на вариационных
принципах механики сплошной среды и трактуются как
математическая процедура определения полей переме¬
щений и напряжений. Они находят применение в так на¬
зываемых технических теориях мягких оболочек, методо¬
логическую основу которых составляет прием расчлене¬
ния напряженного состояния оболочки на два. Возмож¬
ности такого подхода исследованы С. А. Алексеевым
[4.3] и получили развитие в трудах Л. И. Балабуха
[4.5], и, особенно, В. И. Усюкина [4.37] и его учени¬
ков, например [4.6].
В технической теории, разработанной проф.
В. И. Усюкиным, основным состоянием оболочки может
быть начальная (раскройная) ее форма или некоторая
промежуточная (исходная), определенная при упрощен¬
ном нагружении или при более простых граничных ус¬
ловиях (например, без учета стеснения перемещений).
Геометрию оболочки в основном состоянии считают
известной, и усилия Гю, Гг о, So находят по линейной
теории. Простое оновное состояние корректируют до¬
полнительным на отдельных участках оболочки. Если
выбрана такая форма основного состояния, при кото¬
рой действие, нагрузок дополнительного состояния не вы¬
зывает больших перемещений оболочки, то уравнения
для определения дополнительных перемещений и усилий
Гь Г2, S, можно линеаризировать относительно основно¬
го состояния.
Линеаризованные уравнения, описывающие дополни¬
тельное состояние оболочки, получают с помощью прин¬
ципа возможных перемещений. Система линеаризован¬
ных уравнений, дополняя линейную теорию, позволяет
уточнить компоненты усилий и определить окончатель¬
ную геометрию оболочки. В результате все параметры,
определяющие полное напряженно-деформированное со¬
стояние оболочки, представляются в виде суммы со¬
ставляющих основного и дополнительного состояний
Гх = п + 7\0; Г2 = 7,8 + Г2о; S=S0 + «S.
Полученные дифференциальные уравнения внутри
области и на границе с учетом граничных условий ре¬
шаются одним из численных методов, рассмотренных
в [4.38].
Используя метод конечных разностей, прибегают к
нанесению на область интегрирования сетки, в узлах ко-
216

Рис. 4.4. Эпюры усилий в полуцилиндрической оболочке со сфериче¬
скими торцами, загруженной внутренним давлением воздуха
а, б — нормальных Ти Т2\ в, г — касательных 5
торой определяются перемещения и усилия, вместо
отыскания непрерывных функций обычной континуальной
задачи. Процесс ее дискретизации, выражающийся в
замене частных производных приближенными значения¬
ми конечных приращений, дает возможность заменить
дифференциальные уравнения алгебраическими высоких
порядков. Общий алгоритм решения уравнений техни¬
ческой теории делает возможным расчет пневматичес¬
ких оболочек различных типов, в том числе составных.
На рис. 4.4 показан результат расчета полуцилиндри¬
ческой оболочки со сферическими торцами на избыточ¬
ное давление воздуха [4.6].
Эпюры усилий показывают, что удалось определить
напряженное состояние оболочки как по стыку цилинд¬
рической и сферической ее частей, так и вдоль опорного
контура.
За рубежом методу конечных элементов отдается ре¬
шительное предпочтение. К пневматическим конструкци¬
ям его впервые применили Дж. Оден и В. Кубица
[4.56]. В этом методе континуальная конструктивная
система (в данном случае пневматическая оболочка)
заменяется дискретными моделями, свойства которых
согласуются с общей системой уравнений, определяю¬
217

щих -поведение континуума. В противоположность клас¬
сическому методу анализа континуальных систем, где
расчет начинается с исследования свойств бесконечно
малых элементов, размеры которых стремятся к нулю,
а число бесконечно возрастает, здесь исследуются
свойства элементов конечных размеров, число которых
также конечно. Интегрирование заменяется суммирова¬
нием, а дифференциальные уравнения континуальной
системы заменяются системой алгебраических или про¬
стых дифференциальных уравнений.
Поверхность пневматической конструкции разбива¬
ется на ряд элементов, которые считаются плоскими до
и после деформирования. Естественно, точность метода
зависит от размеров элементов, т. е. от степени прибли¬
жения многогранной поверхности к криволинейной.
Развивая дальше этот метод, Э. Хауг [4.47] исполь¬
зовал четырехугольный конечный элемент типа Айрон¬
са — Зенкевича, искаженный в пространстве. Дальнейшее
уточнение метода выражается в учете естественной кри¬
визны конечных элементов. Так сделано в работе С. Ли
и Дж. Леонарда [4.50], которые сумели применить его
к решению нескольких конкретных инженерных задач
проектирования пневматических строительных конструк¬
ций.
На заседании рабочей группы ИАСС по пневмати¬
ческим конструкциям [4.46] были доложены результаты
комплексного исследования напряженно-деформирован¬
ного состояния полуцилиндричеекой воздухоопорной
оболочки под действием избыточного давления и ветро¬
вой нагрузки, определенной аэродинамическими продув¬
ками. Использованный при этом метод конечных эле¬
ментов позволил не только найти величины усилий и
перемещений оболочки, но и показать последние на эк¬
ране дисплея.
Представляет интерес работа [4.51], посвященная
применению метода конечных элементов к расчету пнев¬
матических конструкций, усиленных канатными сетями.
В отличие от прежних работ подобного характера, в ко¬
торых сеть рассматривалась как единственная система,
воспринимающая все нагрузки, авторы учитывают сов¬
местную работу сети и оболочки, считая, что предполо¬
жение о самостоятельной работе сети может быть спра¬
ведливо лишь тогда, когда жесткость каната значитель¬
но выше жесткости оболочки и когда размеры ячеек
218

очень малы, что, по их мнению, не соответствует данным
практики.
В отечественной практике метод конечных элемен¬
тов был использован -при разработке проекта покрытия
производственного здания 60x60 м [4.12]. Форма обо¬
лочки была получена по аналогии с мыльной пленкой.
Конечные элементы имели вид плоских треугольников.
После составления алгоритма и его решения на ЭВМ
становились известными координаты узлов оболочки,
перемещения, значения компонентов натяжений и др.
Расчет производился на нагрузки от снега (220 Н/м2)
и ветра (490 Н/м2). При избыточном давлении воздуха
520 Па максимальные усилия в оболочке достигали
22,64 кН/м.
Возможности метода конечных элементов (примени¬
тельно к анализу напряженно-деформированного со¬
стояния раздутой, первоначально плоской квадратной
пнев!моподушки показаны в [4.17].
4.5. БЕЗМОМЕНТНАЯ ЛИНЕЙНАЯ
(ЭЛЕМЕНТАРНАЯ) ТЕОРИЯ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК
Элементарная теория мягких оболочек построена на
использовании уравнений равновесия классической без-
моментной линейной теории. Если оболочке не присущи
разрывы непрерывности в нагрузках, кривизне контура,
толщине или жесткости материала, то она считается не-
деформируемой (гипотеза I о свойствах материала).
Если же натрузки таковы, что их действие вызывает су¬
щественные (сравнимые с размерами самой оболочки)
перемещения поверхности, то прибегают к приему рас¬
членения расчетной задачи на две: 1) нахождение новой
равновесной формы оболочки; 2) определение усилий из
уравнений равновесия этой новой формы. Новая равно¬
весная форма оболочки возникает в результате образо¬
вания одноосно напряженных, так называемых складча¬
тых зон, где развиваются отрицательные деформации.
В этом случае материал оболочки считается сжимаемым,
но нерастяжимьгм (гипотеза II).
В практике проектирования воздухоопорных соору¬
жений элементарная теория пока еще распространена.
Ее расчетные формулы для сферических и цилиндричес¬
ких оболочек узаконены нормативными документами
219

Рис. 4.5. Усилия в эллиптической оболочке
а, б — соответственно меридиональные и кольцевые от внутреннего давления;
в, г — то же, от снега; д, *? —меридиональные, минимальные и максимальные
ог ветра; ж, з — кольцевые, минимальные и максимальные от ветра
ГДР, Великобритании, Италии, СССР, США, ФРГ, Япо¬
нии.
Расчет воздухоопорных оболочек состоит из трех ос¬
новных этапов:
1) определение необходимого уровня избыточного
давления воздуха;
2) проверка прочности материала оболочки;
3) определение деформаций оболочки под действием
общих и местных нагрузок.
220

В соответствии с методикой расчета по предельным
состояниям два первых этапа характеризуют первое пре¬
дельное состояние:
— условие прочности материала оболочки
j-макс рр . рмакс рр
где Т\ .и Т2 — растягивающие усилия по двум главным направлени¬
ям; Р?и Р% — расчетные-сопротивления материала разрыву;
221

•— условие устойчивости оболочки
ГМИН> 0; Г^ИН>0*.
Третий этап — условие соблюдения нормированных
перемещений — соответствует второму предельному со¬
стоянию:
Расчет по первому предельному состоянию обязате¬
лен, по второму производится при необходимости.
Напряженное состояние оболочки при ее геометриче¬
ски стабильной (недеформируемой) форме определяется
уравнениями равновесия, одним из которых является
уравнение Лапласа:
T1IR1+T2IR2 = p,
где Тх и Т2 — усилия в направленных главных кривизн; R{ и R2 —
соответствующие радиусы кривизны; р — нормальная составляющая
поверхностной нагрузки.
Остальные уравнения отражают специфику геометрии
и нагрузки в каждом конкретном случае расчета.
Ниже приводятся формулы, таблицы и графики эле¬
ментарной теории для определения усилий и деформа¬
ций воздухоопорных оболочек. При этом их деформации
рассматриваются как результат только кинематических
процессов, вызванных неспособностью материала к со¬
противлению сжатию и изгибу.
Оболочки вращения. Наиболее простой расчетный
случай представляют оболочки вращения с осесиммет¬
ричными нагрузками: избыточным давлением воздуха
(табл. 4.2; рис. 4.5, а, б), собственной массой и снегом
(табл. 4.3, рис. 4.5, в, г). Расчет на несимметричные на¬
грузки (главным образом ветер) тем сложнее, чем слож¬
нее математическая интерпретация ветрового давления
по поверхности оболочки. На рис. 4.5, а — з [4.48] дают¬
ся графики Эггерса для расчета оболочек типа эллип¬
соида вращения в пределах соотношения полуосей
0,7^Н//?^оо. Графики для расчета сферических обо*
лочек на ветер [4.45] приведены на рис. 4.6.
* Не исключается и одноосное напряженное состояние. Тогда
имеется одно из двух следующих условий: Тi>0; Т2 — 0 или 7"i =0;
Г2> 0.
222

Т а б лица 4.2. Формулы для расчета оболочек вращения на внутреннее избыточное давление р
I Поверхность
225

Продолжение табл. 4.2
+
«с
О
S
*=с
Я
CU
о
S я
Я
к
а) с-1
Я ^
X DS
Si О
* X
s s
cd С
Си cd
>5 К
си
м
(Я
си _
sS ^
s s
m я
си
О) я
С ш
0^
си
я
я
t=c
сз
»я
° з
CU g
О S
Н я
CQ ш
а
+
I
I
еч
*о
+
<3 <м
Си!
Q
сх
CSJ
С*
си
о
сч
а
сч
224
Кольцевое усилие Т:

Продолжение табл. 4.2
8(0,5) Зак, 540
225
Меридиональное уси¬
лие Ti
Кольцевое усилие Т2

Таблица 4.3. Формулы для расчета сферических оболочек
на вертикальные осесимметричные нагрузки
226

Рис. 4.6. Мак¬
симальные уси¬
лия в сфериче¬
ской оболочке
от ветра для
области — 0,6 =
ZIR=\
Условия приме¬
ров, показанных
пунктиром: R =
= 10,35 м; Zq _
=5,35 м; Z ц==г
=—2,65 м; Z^ !R =
=0,517; qu =0,5
кН/м2; <7о = 0,8 кН/
/м2; Яи /^о = 0,625
а — максимальные
меридиональные
усилия. Пример:
Т2 = 1.14-0.8Х
X 10,35 = 9,4 кН/м;
б — максимальные
кольцевые усилия.
Пример: 71 ф =
= 1,26-0,8-10,35 =
= 10,4 кН/м; в —
максимальные
сжимающие уси¬
лия. Пример: min
Т=— 0,43-0,8Х
X 10,35 = —3,56
кН/м
Для приближенного вычисления меридиональных Гф
и кольцевых Т® усилий в сферической оболочках можно
предложить формулу
7’ф = 7’»= (Л//?+ 0,25) ? Я + 0,5 р/?, (4.5)
8*(0,5) Зак.
227

где h ,и R — высота и радиус купола; q — расчетный скоростной на-
по-р ветра; р — избыточное давление воздуха под куполом.
Под действием вертикальной нагрузки перемещения
оболочки могут быть направлены только внутрь (по¬
скольку материал нерастяжим). Осадка отмечается в
пределах зоны, радиус которой тем больше, чем больше
нагрузка и чем меньше избыточное давление под обо¬
лочкой. Предполагается, что ниже границы этой зоны
оболочка своей формы не меняет.
Напряженное состояние верхней зоны оболочки харак¬
теризуется отсутствием кольцевых напряжений, физиче¬
ская картина явления — складками (морщинами) вдоль
меридиональных линий, вид которых, как доказал
А. Р. Ржаницын [4.33], соответствует эластике Эйлера,
обладающей свойством очерчивать меридиан поверхно¬
сти вращения наибольшего объема 'При заданной длине
меридиана.
Г. А. Гениев [4.8] предложил рабочие формулы для
расчета полусферической оболочки радиуса R с цен¬
трально приложенным сосредоточенным грузом Q. По¬
сле введения в решение ряда допущений получена приб¬
лиженная формула осадки ,f‘, которая им рекомендуется
при отношении Q/(pnR2), малом по сравнению с едини¬
цей I
1
R
1,865
Q
р я R2
Ниже приводятся уточненные формулы для полусфе¬
рического купола с ветровой нагрузкой, распределенной
по закону (4.20).
Для составляющей q0=qC0:
т — т —fo-—- Т =0
1Ф — 10 “ 2 ’ ф0 ■
Для составляющей q\ = qC\\
qY R cos ф
T, =
ф 3 sin3 0
qi R cos ф cos 0
sin2 0
qt R sin ф
Ге = - з
T9* 3 sin3 e
(2 cos 0 — 3 sin2 0 — 2 cos4 0);
• (2 — 3 cos 0 + cos3 0);
(2 — 3 cos 0 + cos3 0).
228

При законе распределения (4.21) формулы усилий в
полусферической оболочке можно найти в [4.16].
Цилиндрические оболочки. Если пренебречь влиянием
торцов, то оболочки можно рассматривать как узкую
полоску единичной ширины (плоская или одномерная за¬
дача), перемещения которой определяются только усло¬
виями равновесия между внутренним избыточным дав¬
лением воздуха и внешними нагрузками. Расчет оболоч¬
ки как гибкого кольца достаточно прост и хорошо раз¬
работан.
Наиболее сложные задачи возникают при расчете на
ветер. Они не имеют замкнутого решения и требуют ря¬
да последовательных приближений. Методика расчета
цилиндрических оболочек на действие ветра может быть
построена на выдвинутой автором в [4.13] гипотезе о
том, что при перемещениях оболочки интенсивность дав¬
ления в любой точке не изменяется; меняется лишь его
Рис. 4.7. К расчету цилиндрической оболочки на ветровую нагрузку
а — схема действия сил; б — ход решения прямой задачи; в — силы в п-ом
узле; г — схема деформированной оболочки, снятая с натурного сооружения;
д — ход решения обратной задачи
229

Рис. 4.8. Графическое решение задачи о деформированном профиле
цилиндрической оболочки (р = 0,4 кН/м2; <7 = 0,5 кН/м2; # = 10 м;
<р = 240°; 6=16)
а — распределенные нагрузки; б — замена распределенных нагрузок равно¬
действующими сосредоточенными; в — первая попытка (Т = 9 кН) — неудач¬
ная; г — вторая попытка (7=6 кН) — неудачная; д — третья попытка (Т=
=7,9 кН) — удачная
направление, оставаясь, однако, всегда нормальным к ее
поверхности. Этот предположение мало противоречит
экспериментальным данным, полученным в аэродинами¬
ческой трубе [4.44]. Оболочка пролетом / представля¬
ется в виде полигона с К сторонами длиной 5 (рис. 4.7),
а ветровая нагрузка, сложенная с избыточным давлени¬
ем воздуха под оболочкой, сосредоточивается в К—1
узлах. Вследствие того, что нагруэка нормальна к по-
230

2 О
3 1 а
6 1
верхности оболочки, тангенциальные составляющие от¬
сутствуют, и поэтому натяжение Т оболочки неизменно
по всему ее профилю.
Внешние углы полигона определяются из условия
равновесия каждого из узлов:
а п = Рп1Т, (4.6)
где Рп —равнодействующая сил в узле п.
Задаваясь произвольной Т и полагая координаты ле¬
вого конца полигона х0 = у0 = 0, находят координаты его
правого конца:
k-\ р k—\
4 = S 2 sin 2 ~т~ ’ ^* = S 2 C0S 2 ~T~ la»=°l• (4 7)
/=0 /=0
231

При .правильно назначенном усилии Т соблюдается
тождество
Х1 + Ук = р- (4-8)
Усилие Т находят последовательными приближения¬
ми, обычно после трех-четырех попыток. Эта процедура
довольно трудоемка, поэтому рекомендуется использо¬
вать ЭВМ. Подробнее техника расчета изложена в [4.13].
После того как тождество (4.8) удовлетворено и уси¬
лие Т найдено, нетрудно построить очертание деформи¬
рованного контура оболочки. Координаты любого п-го
узла вычисляют по формулам (4.7), полагая в них k=n.
Возможно и графическое решение этой задачи, ход
которого показан на рис. 4.8. Достоинство его в нагляд¬
ности: одновременно с определением Т строится дефор¬
мированный контур оболочки. Отсюда следует методо¬
логическая основа экспериментального нахождения эпю¬
ры распределения ветрового давления по поверхности
цилиндрической оболочки. Зафиксировав каким-либо об¬
разом (например, с помощью прогибомеров) удаления
р определенных точек оболочки от первоначального цен¬
тра и измерив динамометром ее натяжение, получают
все необходимые данные для построения веревочного и
силового многоугольников. Первым будет деформирован¬
ный контур оболочки (рис. 4.7,г), вторым — многоуголь¬
ник, вписанный в окружность радиуса, равного в масш¬
табе сил Т (рис. 4.7, д). Стороны этого многоугольника
суть равнодействующие ветрового и избыточного давле¬
ний. Вычитая последнее и переходя к распределенной на¬
грузке, можно построить эпюру фактического ветрового
давления на оболочку.
При использовании ЭВМ, когда в программу могут
быть введены любые численные характеристики нагру¬
зок, нет нужды стремиться к аналитическому выраже¬
нию ветрового давления. Результат может быть получен
прямым путем, без трудоемких процедур, снижающих
к тому же точность решения задачи.
Гипотеза о неизменности скалярных величин интен¬
сивности ветрового давления в дальнейшем использова¬
лась и другими исследователями [4.10, 4.20, 4.57]. Отме¬
тим общее решение В. Э. Магулы, который перешел от
дискретной формы представления нагрузки к контину¬
альной:
232

Рис. 4.9. Усилия а и максимальные перемещения б цилиндрической
оболочки от ветра
Примеры для условий: Я = 13 м; 0 = 20 м; hjb = 0,65; R= 10,35 м показаны
пунктиром. Ответы: а — при р = 0,3 кН/м2 и <7 = кН/'м2 p[q = 0,375; Тф =
= 0,765(0,3+0,8)10,35 = 8,72 кН/м; б — при р = 0,9 кН/м2 и <7 = 0,5 кН/м2 р1п=
= 1,8; max =0,1 • 10,35» 1,04 м
233

где /о — периметр оболочки; р(1) —нагрузка в функции длины дуги.
Графики для определения максимальных усилий и
перемещений цилиндрической оболочки под действием
ветра [4.48] приведены на рис. 4.9.
Решению задачи о напряженно-деформированном со¬
стоянии цилиндрической оболочки с нагрузкой q, распо¬
ложенной узкой полоской вдоль образующей (ею может
Рис. 4.10. Деформации цилиндри¬
ческой оболочки под действием од¬
носторонней сосредоточенной на¬
грузки
быть, например, скопле¬
ние снега, подвешивае¬
мая осветительная арма¬
тура и т. п.), посвящен
ряд работ. Они ограни¬
чиваются рассмотрением
частных случаев — цент¬
рально приложенной на¬
грузки [4.29] или пары
симметричных [4.19].
В более общем слу¬
чае приложения нагруз¬
ки в произвольной точке,
определяемой коорди¬
натой ф0 (рис. 4.10),
решение сводится к си¬
стеме двух тригономет¬
рических уравнений
(4.9) и (4.10) для на¬
хождения углов у и б*
. * . г Ф + Фо sin (Y + б) , 1
sm о sin • + V =
L ф sin 6 YJ
= sin y sin
sin 6 cos
in £-
ф — Фо sin (y + 6)
ф sin y
+ 6 j *>
ф + фо sin (y + 6) , 1 , . ГФ —Фо
; • г“Т + Y t sm Y cos ;
ф sin о J L Ф
(4.9)
X
X
sin (y + 6)
sin
±^- + 6] = sin (Y + б) (4.
10)
где ф =—г ; ф я R — половила центрального угла и радиус неде-
Р R
формированной оболочки.
234

Перемещения оболочки под грузом определяются по
формулам:
X = Pi [— cos (а + у) + cos у] — R (sin <р + sin ф0); ]
(4.11)
у = pi [sin (а + у) — sin у] — R (cos <р — cos ф0), j
а растягивающие усилия в левом и правом участках обо¬
лочки — (п о фо р мулам:
Ti=p рг, Т2 = Р р2, (4.12)
q sin б q sin у
где pi = : ; яч ’» Рг == . . я ч »
р sin (у + о) р sin (v + o)
R R
a= (ф + фо); p = (ф — Фо)-
Pi ?2
В частном случае, при центральном приложении на¬
грузки, <ро = 0; б=у. Уравнение (4.9) превращается в
тождество, а (4.10) приобретает вид:
(2 -J- cosy+y)
cosy
= 1
sin ф
•
Рис. 4.11. К расчету цилиндрических оболочек на действие сосредото¬
ченной нагрузки
235

Решая его, находим угол ср. Вертикальное перемеще¬
ние и усилие Т в оболочке определяются по формулам:
У = р [sin (а + у) — sin У] -г Я (1 — coscp);
Т = Р р,
где
Я
2 р cos у *
Ф
а= 2 cos v.
График рис. 4.11 позволяет найти
под нагрузкой q и усилия Т.
осадку оболочки
Пример: R = 10 м; ф=-j- л;р = 250 Н/м2; <7 = 600 Н/м.
Вычисляем —= 0,24. По графику находим
f/R = 0,098; ф/2р = 0,912 (ход решения показан пунктир¬
ной линией). Затем находим / = 0,098-10^1 м; T=pR'X
Хф/2Р = 250х 10X0,912=2280 Н/м = 2,28 кН/м.
На рис. 4.12 приведен график для определения осад¬
ки цилиндрической оболочки под снеговой нагрузкой,
распределенной по закону трапеции [4.48].
Г. А. Гениевым [4.9] разработана методика прибли¬
женного расчета полуцилиндричеоких оболочек на дей¬
ствие местной радиаль¬
ной равномерно распре¬
деленной нагрузки интен¬
сивностью р. Сокращен¬
но она изложена в [3.9].
Если допустить, что сне¬
говая нагрузка распола¬
гается в пределах цент¬
рального угла не более
я/2, то ее можно рекомен¬
довать для практических
расчетов.
Попытки учета влия¬
ния торцов на работу ци¬
линдрической оболочки
встречают значительные
трудности. Одну из таких
попыток (рис. 4.13,а)
предпринял Р. Тростель
[4.28], который предло¬
жил формулы усилий в ее
цилиндрической и сфери¬
ческой частях.
sf\t
Рис. 4.12. Максимальная осадка
цилиндрической оболочки от снего¬
вой нагрузки
Условия примера: R = 10,35 м; hjb —
= 0,65; р/ос =2,5. Ответ: max W=
= 0,1-10,35» 1,04 м
236

Рис. 4.13. Схемы по-
луцилиндрической
оболочки с торцами в
виде четвертей сфе¬
ры
Приближенные формулы, принятые проектом Бри¬
танских норм [4.43] для определения усилий в цилиндри¬
ческих оболочках от совместного действия избыточного
давления и ветра, даны в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Усилия в цилиндрических оболочках радиуса г
от давления воздуха р и ветра q
Относительные раз¬
меры оболочки
Погонные усилия в оболочке
Минималь¬
ное
давление
воздуха,
P
высота
h/r
длина IJr
кольцевые
Т
Ф
продольные
T
0
i
1,5
1,33
2
2,67
4
1.25 cjr-\-pr
С..9 qr + pr
0.8qr-\-pr
OJ^qr + pr
l,6^r + 0.5pr
1,5qr + 0.5/7Г
\,5qr+0.5pr
1 ,Sqr+0.opr
0,7 q
1
1,33
2
2,67
4
C..9 qr + pr
0,8qr+pr
Q&qr+pr
0,&qr+pr
1,3qr -|-0,5/? г
! Aqr + O.Spr
\,5qr + 0+pr
1,75</r-f-0.,5pr
0,6 q
0,75
1,33
2
2,67
4
\ qr+pr
0.9 qr + pr
0.9 qr + pr
0,9 qr + pr
\Aqr+0,5pr
\.3qr+0,bpr
1.6f/r-j-0,5pr
2,3qr-\-0,5pr
0,5 q
Более надежно обоснованы коэффициенты формулы
(4.13), полученные в результате использования метода
конечных элементов и данных продувок [4.46]. Они дают
максимальные кольцевые (Ti) и меридиональные (Т2)
237

усилия в трех характерных сечениях полуцилиндриче-
ской оболочки, в том числе и в стыке цилиндрической ча¬
сти со сферическим торцом (рис. 4.13,6):
T = aqR + $pR, (4.13)
где а и Р — коэффициенты, приведенные в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Коэффициенты аир для полуцилиндрической
оболочки
Сечения
. Усилия
кольцевые
Т\
меридиональные Т2
а при p/q равном
3
а /3
0,8
0,6 | 0,4
1 — 1
2—2
3—3
0,7
0,6
0,6
1
1
0,5
0,88
1,35
1,65
0,8
1,25
1,55
0,72
1,05
1,45
О.5
0.5
0-6
Оболочки, усиленные канатами. Мягкие оболочки,
снабженные системой разгружающих канатов меридио¬
нального или кольцевого направления, отличаются тем,
что их натяжение в направлении, совпадающем с на¬
правлением канатов, резко падает с увеличением стрелы
вьггиба оболочки между канатами.
Цилиндрические оболочки с кольцевыми канатами.
При применении канатов цилиндрическая поверхность
оболочки приобретает кривизну и в меридиональном на¬
правлении (рис. 4.14). Гауссова кривизна оболочки из
нулевой становится положительной.
Из уравнения Лапласа, написанного в виде
А1
следует, что с уменьшением радиуса R\ усилие Т2 пада¬
ет, что, собственно, и является эффектом применения раз¬
грузочных канатов. При Ri = R2 = R поверхность оболоч¬
ки представляется состоящей из ряда сферических колец.
При дальнейшем уменьшении R\ усилие Тч может быть
доведено до нуля.
При наполнении воздухом оболочки, выкроенной с не¬
достаточным выгибом Д плоскости расположения канатов
будут наклоняться к центру сооружения (рис. 14,а).
Излишний выгиб приведет к развалу этих плоскостей в
238

Рис. 4.14. Цилиндрические оболочки, усиленные канатами
а — сближение и расхождение канатов при недостаточной или избыточной
величине стрелы выгиба гофра; б — общий вид оболочки; в, г — геометриче¬
ские соотношения
стороны торцов. Отклонение плоскостей расположения
канатов от вертикали будет сведено к нулю только при
определенном соотношении между R, S и f, которое най¬
дем из условия максимума объема оболочки. Предста¬
вим себе, что оболочке уже придана «гофрированная»
поверхность — специальным раскроем (случай 1) или стя¬
гиванием канатов при цилиндрически выкроенной о‘бо-
239

лочке, когда под ними -образуются складки — одноосные
зоны избытка материала (случай 2).
Рассмотрим одну секцию цилиндрической оболочки в
виде двух отстоящих один от другого на 5 жестких дис¬
ков, соединенных мягкой оболочкой (рис. 4.14,в). При по¬
вышении давления воздуха образующая оболочки выпу¬
чивается по некоторой кривой, которую будем считать
дугой окружности радиуса г. Торцевые диски при этом
стягиваются, и при расстоянии между ними С наступает
равновесие, соответствующее наибольшему объему обо¬
лочки. Оно определяется уравнением, вывод которого дан
в [4.14]:
[4 ~S~ <P(_s' ф — cos<p) + c°s2 ф + 2 (f~-— l)+<P2 = 0.
Определив отсюда угол ф, находим стрелу выгиба обо¬
лочки
„ 1 — COS ф
= S —о " •
2 ф
Оболочка, характеризуемая найденными таким обра¬
зом соотношениями параметров R, S и /, может рассмат¬
риваться как геометрически неизменяемая, если материал
считать нерастяжимым.
В меридиональном направлении первый главный
радиус такой оболочки постоянен и равен г. Второй глав¬
ный радиус кривизны определяется теоремой Меиье:
R + f-Ri
sin 0
+ Ri.
Случай 1. Оболочка выкроена в виде тороидальной
поверхности. Максимальные усилия оболочки
Р R Ri р R
2 Ri — f 2 cos ф
(4.14)
=ih-
(Я + f - Ri)2
2 * Rt
Погонная радиальная нагрузка на канат
Q = 2 Ti sin ф.
Усилие в канате
T = QR = pR* tgcp.
Из формулы (4.16) следует, что при
(R + f-Ri)2
(4.15)
Ri<
Ri
240

кольцевые усилия становятся нулевыми, откуда находим
условие одноосного напряженного состояния оболочки:
/<С*/4/?. (4.16)
Случай 2. Оболочка выкроена в виде цилиндрической
поверхности. Оболочка стягивается канатами до такого
положения, что на ее поверхности образуются меридио¬
нальные складки и она возле каната начинает входить в
состояние одноосного напряжения. Если R— радиус
окружности, образуемой канатами, R^ = R-\-f— радиус
цилиндрической выкройки оболочки, то меридиональное
усилие можно найти из условия равновесия сил в сече¬
нии а —а (см. рис. 4.14):
2 я (R + f) Ti sin 0 = ку2р,
откуда
Ti = p
)
[R + f-Ri (i — sine)iai
2 (R + f) sin0 * 2
Максимальное усилие при 0 = я/2
^•макс
7 (R+,)-
(4.17)
Оболочки вращения. Меридиональные канаты
(рис. 4.15) под действием избыточного давления воздуха
следуют вполне определенной кривой z=z(x). Ее урав¬
нение дает Л. И. Ярин [4.42]:
+
1
/У
F
^arc cos х0;
_JU_ U
V2 ] 4 У2л
(4.18)
где F(у; k)\ Е(Ь\ k)—эллиптические интегралы соответственно I и
II рода; Г(т)—гамма-функция; Xo=x/R; z=z/R— безразмерное
координаты; R — радиус экваториальной окружности (радиус осно¬
вания оболочки), зависящий от длины каната.
Безразмерная длина каната
'-ЬтзЫ'ШГ-уИ
arc cos х0;
г
тУ
Усилие в канате
Т =
л R2
Р,
где п — число меридиональных канатов.
9 Зак. 540
241

Усилия в меридио¬
нальном н а ир а влени и,
как это было показано
при рассмотрении ци¬
линдрических оболочек,
малы по сравнению с
ко л ьцевы м и усилиям и.
Кольцевые усилия, отне¬
сенные к радиусу эквато¬
ра /?,
— ф ,
2 sin ~2~
где г —радиус кривизны гори¬
зонтального сечения гофра
оболочки; ф = 2я/д.
4.6. РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ
Избыточное давление воздуха, создающее предвари¬
тельное натяжение оболочки, является наиболее харак¬
терной, постоянной, а иногда и единственной нагрузкой
•для воздухоопорных зданий.
Мы живем на дне воздушного океана, глубина кото¬
рого не может быть измерена, как глубина моря. В от¬
личие от несжимаемой воды воздух сжат действием соб¬
ственной массы, достигая плотности у=1>293 кг/’м3 (на
уровне моря при температуре 0°С, на географйческой ши¬
роте 45°). Нормальным атмосферным давлением счита¬
ется,'760 мм ртутного столба, или 10 333 мм водяного.
Это составляет 10 333 кгс/м2, или 101,325 кПа^ОД МПа.
Для расчета воздухоопорных оболочек, объем которых
нельзя считать замкнутым, допустимр. предположение о
постоянстве избыточного давления. Независимо от де¬
формаций оболочки под действием нагрузок уровень из¬
быточного давления ограничивается регулируемым на¬
пором вентиляторов. При сравнительно медленном нара¬
стании нагрузок такая предпосылка вполне приемлема.
При быстро растущих нагрузках, например порывах вет¬
ра, правильнее рассматривать оболочку как замкнутый
объем, так как воздух при быстро меняющемся объеме
сооружения не успевает полностью выйти: стравливающие
и обратные клапаны мгновенно не срабатывают. Таким
образом, предположения о постоянстве давления воздуха
Рис. 4.15. Оболочка вращения, уси¬
ленная канатами
242

или количества его под оболочкой могут быть использо¬
ваны в зависимости от характера решаемой задачи.
Динамическое давление потока воздуха, Н/м2, как
одно из слагаемых уравнения Бернулли, называемое
«скоростным напором», — qttv2j\ybA7.
Собственная масса оболочки. Материалы оболочек
имеют очень малую массу, обычно не более 1—2 кг/м2.
Она уравновешивается избыточным давлением воздуха
10—20 Па. Поэтому, за исключением особых случаев,
специальный расчет оболочки на действие собственной
массы не производится.
Нагрузка от атмосферных осадков. Снеговые нагруз¬
ки, нормируемые СНиП 11-6-74, установлены на основа¬
нии многолетних наблюдений за накоплением снега на
поверхности жестких сооружений. Для цилиндрических
сводов и сферических куполов расчетная снеговая на¬
грузка принимается равномерно распределенной по всей
площади проекции этих покрытий на горизонтальную
плоскость (рис. 4.16,а). Для оболрчек полуциркульного
Рис. 4.16. Расчетные схемы снеговых нагрузок
а ~~ РС^Ф) =constl б — рс (ф)=рс cos ф; в — рс(ф)=рс cos 2ф; .F — пло¬
щадь эпюры нагрузки j
профиля, она в зависимости от снегового района страны
колеблется от 0,28 до 1,40 кН/м2. Установлено, что снего¬
вая нагрузка на поверхности воздухоопорных оболочек
значительно меньше, чем на конструкциях аналогичных
форм из жестких материалов, что объясняется подвиж¬
ностью и колебаниями оболочки в результате действия
ветра и изменений давления воздуха, а также глянцещ-
стостью поверхности, с которой снег легко соскальзьрЛ
(рис. 4.17). В связи с этим не происходит длитель^гр
многосуточного накопления снега. На этом осШ>вщ|р|
243
9* Зак. 540

244

а
7
г
Д
в
Рис. 4.17. Характер отложения зимних осадков на оболочках
а — свежевыпавший снег; б — осыпание снега по периметру оболочки; в —
скопление снега на крыше пристройки; г, д — гололедная корка
245

авторами книги [3.9] было предложено считать расчет¬
ную интенсивность снеговой нагрузки равной суточному
максимуму выпадания снега в данном районе (по стати¬
стическим данным за последние 10 лет). Применительно
к районированию по СНиП П-6-74, можно для выпуклых
оболочек, когда исключена возможность образования
снежных мешков, предложить следующие размеры сне¬
говой нагрузки (табл. 4.6).
Таблица 4.6. Нормативные снеговые нагрузки
Районы СССР, соответству¬
ющие карте 1 СНиП 11-6-74
I
II
III
IV
V
VI
Снеговая нагрузка, Н/м2
100
100
1 150
| 200
| 250
300
Более правильным было бы распределение снега счи¬
тать не равномерным, как это предписывается СНиП II-
6-74, а следующим закону рс(ф) =PcCOS(p (рис. 4.16,6)
или даже рс(ф) =PcCOs2cp (рис. 4.16,в), так как при
Ф^45° снег на оболочке обычно не задерживается.
В зарубежных нормах есть указания, что снеговая на¬
грузка может не учитываться, если помещение отапли¬
вается и температура под оболочкой достигает 15° (ГДР)
и 12° (Япония) или если обеспечена уборка снега любым
надежным способом. Противоположная по направлению
действия давлению воздуха снеговая нагрузка вызывает,
как правило, снижение растягивающих усилий в оболоч¬
ках. Исключение составляют кольцевые усилия в подъ¬
емистых куполах, которые, начиная с некоторой широт¬
ной отметки, растут (см. табл. 4.3). Однако в местах
возможного накопления снега могут создаваться опасные
сосредоточения усилий, способные разорвать оболочку.
Этими местами прежде всего являются зоны сопряжения
оболочек с разнородными поверхностями, особенно с
жесткими пристройками или горизонтальной крышей
(рис. 4.17,б).
Гололедные образования на поверхности оболочек
обычно не накапливаются в такой мере, чтобы их вво¬
дить в расчет как нагрузку. Причиной тому является не¬
которая подвижность оболочек и растяжимость их мате¬
риала, способствующие разрушению и осыпанию ледяной
пленки. Опыт эксплуатации не дал примеров аварийных
-ситуаций, вызванных гололедом.
Дожди типа тропических ливней должны учитываться
как вертикальные или косые нагрузки в зависимости от
246

интенсивности ливня, аналогично скоростному напору
ветра. Распределение дождевой нагрузки на поверхности
оболочки должно следовать закону р (<р) = /?cos<p,
где ф — угол между направлением дождевых (Струй и нормалью к
оболочке.
Ветровая нагрузка для воздухоопорных оболочек счи¬
тается основной. Накопившийся к настоящему времени
немалый опыт эксплуатации свидетельствует, что она яв¬
ляется едва ли не единственной причиной их разрушения.
Особенность взаимодействия пневматической оболоч¬
ки с воздушным потоком заключается в том, что ее фор¬
ма, в отличие от формы жестких оболочек, не остается
безучастной к ветровому давлению.
Оболочки податливы и под действием ветра заметно
деформируются, подвержены ряду явлений аэродинами¬
ческого характера, которые усугубляются при неблаго¬
приятных соотношениях между давлением воздуха под
оболочкой и скоростным напором ветра. Наибольшей
опасности оболочка подвергается при существенно мень¬
шем избыточном давлении р, чем скоростной напор вет¬
ра q. Практикой установлено, что при p<cq возможно об¬
разование местных вмятин — «ложек» (рис. 4.18,а), про¬
бегающих по поверхности оболочки, и заметное ее пока¬
чивание. В процессе наполнения оболочки воздухом ее
форма сильно меняется, она «полощется» и хлопает
(рис. 4.18,6). Это очень опасное состояние, чреватоераз-
рывом полотниц или выдергиванием анкеров.
Импульсивный характер ветровых нагрузок вводит
оболочку в определенный режим колебаний. До настоя¬
щего времени неизвестны сколько-нибудь результатив¬
ные попытки динамического расчета пневматических обо¬
лочек на пульсирующие ветровые нагрузки. Сейчас поль¬
зуются их статическим эквивалентом в виде эпюры рас¬
пределения ветрового давления по поверхности оболочки.
В связи с этим возникает практический вопрос о возмож¬
ности использования в качестве этого эквивалента ре¬
зультатов многочисленных аэродинамических продувок
жестких моделей. Сопоставление их с данными по мяг¬
ким моделям показало, что при 'сравнительно высоком
избыточном давлении воздуха под оболочкой (p~q)
этими данными с некоторой погрешностью (не в запас
прочности) руководствоваться можно. Однако давление
воздуха под воздухоопорными оболочками, как правило,
меньше скоростного напора. Поэтому влияние отноше-
247

а |_в_
"б I
Рис. 4.18. Виды деформирования оболочки под действием ветра
а — «ложки» при недостаточном давлении воздуха; б, в — «полоскание»
оболочки при наполнении ее воздухом
ния plq на характер распределения ветрового давления
интересует многих исследователей. Например,
А. М. Смирнов [4.35] установил, что отрицательное
давление (отсос) для мягких сферических оболочек
больше, чем для жестких, на 10—15% при h:D = 0,25 и
на 25% при h:D = 0,75, причем максимальная его орди¬
ната у мягких оболочек сдвигается навстречу потоку
248

(рис. 4.19). Это .подтверждается результатами наблюде¬
ний Х.-Ю. Нимана и А. Нёлькера [4.55], В. П. Полякова
[4.31] и др. Вообще же влияние деформаций оболочки
на картину распределения давления ветра изучено мало.
Однако некоторые исследователи [4.44] уже пришли к
выводу, что при рА7>0,4 это распределение не претер¬
певает существенных изменений даже при заметных фор¬
моизменениях оболочки.
Эпюра распределения ветрового давления в верти¬
кальных поперечных сечениях цилиндрической оболочки
мало отличается от эпюры для сферической оболочки.
Продольное направление ветра представляет малый ин¬
терес в связи с большой жесткостью формы оболочки по
ее длинной оси.
При расчете цилиндрических оболочек обычно пред¬
полагают направление ветра перпендикулярным про¬
дольной оси сооружения. Исследование картины распре¬
деления ветрового давления .при различных направлениях
ветра [4.54] дало несколько неожиданный результат:
максимальное воздействие наблюдается при отклонении
ветра на 30° от перпендикулярного направления
(рис. 4.20).
Интенсивность ветрового воздействия в области как
положительного давления, так и отсоса заметно падает
с уменьшением относительной высоты оболочки
249

(рис. 4.19, б — з, рис. 4.21).
У пологих оболочек область
положительного давления
вообще может отсутство¬
вать.
Продувки мягких моде¬
лей сферических куполов
показали, что при малом
центральном угле опорного
контура (2ф<я/2) наблю¬
дается динамическая неус¬
тойчивость купола. У. Бэрд '[4.44] отмечает, что чем
меньше этот угол, тем ниже частота собственных коле¬
баний купола и тем вероятнее возникновение тех низко¬
частотных автоколебаний, которые американцы называ¬
ют бафтингом.
Правомерность распространения результатов продув¬
ки моделей в аэродинамической трубе (рис. 4.22) на на¬
турные сооружения нуждается в подтверждении кон¬
трольными испытаниями оболочек натуральной величи¬
ны. Единственная известная нам попытка таких испы-
250

б
в
а
г
Д
е
ж) 3
и|
к
Рис. 4.19. Эпюры аэро¬
динамических коэффици¬
ентов С для сферических
оболочек (ветер слева)
а — д — жесткие модели (по
[4.52]); е — з — жесткие
(тонкие линии) и мягкие
(жирные линии) модели (по
[4.4]); и — мягкие модели с
различными значениями pjq
(по [4.54]); к — то же,
-plq=0,5; — —
p]q= 1; — pjq = \ ,5;
— • p/q — 2 (по [4.30])
Рис. 4.20. Результаты продувки мягких моделей оболочек под углом
ф = 30° к их поперечным осям [4.54]. Для сравнения линиями—.—.—
показано давление при ф = 0
а — полуцилиндр со сферическими торцами (Re= 1,79- 10е; plq = 0,5); б — по¬
луцилиндр с цилиндрическими торцами (Re= 1,62-10б; pfq = 0,bS); в — ци¬
линдрический сегмент (tf/R=Q,75) с цилиндрическими торцами (Re= 1,4* 10е;
р/<7=0.59)
таний, предпринятая А. М. Смирновым [4.35], к кон¬
кретным выводам не привела вследствие малых зареги¬
стрированных скоростей ветра (3,1 м/с).
Главными параметрами при моделировании являются
скорость воздушного потока в трубе и число Рейнольдса
(Re)', при котором данные продувок могут считаться
251

Встср
=>
Рис. 4.21. Аэродинамические коэффициенты пологой (h/l=0,15)
квадратной в плане модели мягкой оболочки при разных направле¬
ниях ветра (по [4.49])
Рис. 4.22. Модель оболочки в аэродинамической трубе
приемлемыми для практических целей. Из рассуждений
Х.-Ю. Нимана [4.54] следует, что скорость воздушного
потока в аэродинамической трубе должна быть
= "V Ям/£н »
где vH — скорость ветра, принятая для расчета натурного сооруже¬
ния; Ем и Ен — модули упругости материалов модели и сооружения.
Считается, что при Re =1 • 106 результаты испытаний
мягких моделей приемлемы для натурных оболочек, у
которых обычно Re = 2 • 107.
252

Рис. 4.23. Изобары аэродинамических коэффициентов для мягкой
оболочки
а — при ф=0 . .. 0,5; б — при ... 1
Из отечественных исследований наибольшей широтой
отличается эксперимент В. П. Полякова [4.30]. Мягкая
сферическая модель диаметром 4,2 и высотой 3,36 м про¬
дувалась в трубе эллиптического сечения 24X14 м. По¬
мимо характера распределения давления по поверхно¬
сти оболочки при отношениях ty—plq от 0,1 до 5 опре¬
делялись аэродинамические характеристики Сх, Су, Cz,
тх, ту, тг и изменения формы модели путем стереофото¬
грамметрии поверхности оболочки. Результаты некото¬
рых продувок представлены на рис. 4.23 в виде изобар.
Особый интерес представляют те результаты экспе¬
риментов с моделями мягких оболочек, которые устанав¬
ливают критические отношения ф, когда на поверхности
оболочки начинают появляться заметные ветровые «лож¬
ки» и она входит в особо неблагоприятный режим низко¬
частотных колебаний. В табл. 4.7 приведены критические
значения ф, узаконенные или экспериментально подтвер¬
жденные в некоторых странах. \
В зоне ветровых «ложек» и ее ближайших окрестно¬
стях возникают области одноосного или даже нулевого
напряженного 'состояния. Оно захватывает тем большую
площадь, чем меньше отношение ф. Эффект возникнове¬
ния зон одноосного напряжения сферической оболочки с
h/R = 3/2 исследован И. А. Даниляк, В. М. Никиреевым и
В. П. Поляковым. По данным их продувок построен гра¬
фик (рис. 4.24) зависимости деформаций W оболочки от
отношения ф, показывающий резкое повышение дефор¬
маций (образование одноосных зон) при критических
253

значениях ф<1,25. Границы перехода от двухосного на¬
пряженного состояния к одноосному при иных относи¬
тельных высотах сферических оболочек показаны на гра¬
фике рис. 4.24,6.
Таблица 4.7. Критические значения г|) = р/<7
Нормы
Исследования
Форма оболочки
ГДР [4.60]
Япония [4.58]
Великобрита¬
ния [4.43]
СССР, проект
Бегер, Махер
(ГДР)
Нелькер,
Ниман (ФРГ)
Смирнов
(СССР)
Сферический сег¬
мент:
hlR= 1,5
0,85
1*
1
1,0
—
—
1,2—2,1
h/R = 1
0,65
0,7
0,7
0,7
0,7
0,74
0,8—1,2
h/R = 0,75—0,5
Полуцилиндр с
торцами: •
а
0,6
0,6
0,5—0,8
сферическими
0,65
0,6
:
0,6
0.6
0,62
—
.; цилиндриче-
-СКИМИ,
0,55
0,55
0,5
* При допуске больших деформаций 0,8.
; В нормах ФРГ дается непосредственно значение из¬
быточного давления р, при котором устойчивость оболоч¬
ки считается обеспеченной:
, а) для цилиндрических зданий при h/R^l
р = 3(00 Па .... . для Л>8 м
р = 200 » ..... » »
р = 120 » .... . » h^3,5 м и площади
здания до 200 м2;
г б) для всех других зданий: р = 150 Па при Я^З м и
площади до 200 м2.
В сооружениях весьма ответственных, например
укрытиях антенн межконтинентальной связи Телъстар,
где перемещения оболочек жестко ограничены, уровень
давления по отношению к скоростному напору ветра вы¬
ше значений, указанных в табл. 4.7. Для купола диамет¬
рам 64 м с относительной высотой h/D = 0,75 давление
регулировалось автоматически при скорости ветра
До 20 м/с . . . . . . V . . . . -. ЗйО Па
20—30 м/с . . /■ . - : . 7,6Ю,>> ^
30—45 » . . .. -. .... . .14Q0 >
Соответственные отношения pjq равны 1,52: 1,36:i К
254

Рис. 4.24. Влияние параметра ¥ на локальную потерю устойчивости
сферических оболочек
а — максимальные перемещения; б — критические отношения plq, определен¬
ные теоретически для ортотропных оболочек (Е\/Е2=1,6) разной относитель¬
ной высоты (по [4.31])
3. Голуб (ЧССР) исследовал деформации мягкой мо¬
дели полусферичеокого купола радиуса г в потоке возду¬
ха (модель была установлена на крыше автомобиля).
Получена эмпирическая формула зависимости макси¬
мального перемещения оболочки Дг (вмятины в точке с
координатой <р=30°) от отношения ty=p/q:
Л г [г = ехр (— 4,11 ф0,48).
Вследствие исключительной легкости пневматических
оболочек отрицательное ветровое давление становится
основным силовым фактором в системе нагрузок, тогда
как в случае жестких оболочек оно в значительной мере
или полностью нейтрализуется собственной массой кон¬
струкции. Поэтому большое значение приобретает точ¬
ность математической интерпретации ветровой нагрузки.
Общим выражением закона распределения ветровой
нагрузки по поверхности оболочки будет:
я (в, ф) = Яо С (0, ф),
где q (6, ф).— (Ворован нагрузка, нормальная к поверхности оболоч¬
ки, определяемой координатами 0 и cp; q0 — скоростной напор ветра;
С(0, ф) —аэродинамический коэффициент.
Функция С (0, <р), определяющая характер изменения
ветровых нагрузок по поверхности, не имеет теоретиче¬
ского обоснования ввиду сложности физического процес¬
са обтекания. Мягкость оболочек порождает дополнитель¬
ные затруднения. Известны попытки выражения функ¬
255

ции эмпирическими формулами. Представляя собой, как
правило, тригонометрический ряд, эти формулы отли¬
чаются числом членов и коэффициентами, значения кото¬
рых зависят от формы оболочки.
Наиболее простым (но и наиболее далеким от исти¬
ны) является выражение
С (ф, 0) = sin ф cos 0, (4.19)
изображающее ветровое давление антисимметричным в
плоскости yz. Ближе ;к действительности двучленная фор¬
мула [4.28, 4.59]
С (ф, 0) = С0-j-Ci sin ф cos0, (4.20)
где С0 и Ci — осесимметричная и неосесимметричная составляющие
ветрового давления.
Дальнейшее уточнение картины распределения ветро¬
вого давления по поверхности сферической оболочки
привело к формуле вида
С (ф, 0) =0,5 sin2 ф (0,85 cos 0 — 0,15 cos 3 0) — cos2 ф (4.21)
или к другим, еще более громоздким.
Материалы исследований ветрового воздействия на
пневматические оболочки разнообразных форм при раз¬
личных соотношениях избыточного давления и скорост¬
ного напора продолжают накапливаться. Однако их еще
недостаточно для того, чтобы обосновать функцию С(ср,0)
теоретически.
Следует иметь в виду, что представление эпюры вет¬
рового давления тригонометрическими функциями имеет
смысл лишь тогда, когда изыскиваются пути аналитиче¬
ского решения. При применении численных методов с
использованием ЭВМ в этом нет необходимости: ордина¬
ты нагрузки могут быть заданы дискретно, в полном со¬
ответствии с данными аэродинамических продувок.
Для ориентировочных, приближенных расчетов ци¬
линдрических и сферических оболочек можно пользо¬
ваться данными табл. 8 СНиП П-6-74 для цилиндров с
H/d= 1 при Re>4*105.
Естественно возникает вопрос о влиянии точности
интерпретации ветровой нагрузки на конечные результа¬
ты расчета. Э. У. Росс [4.34] рассмотрел два варианта
распределения ветрового давления. Первый, типа, .пока¬
занного на рис. 4.19, получен в аэродинамической трубе,
второй имеет вид ступенчатой эпюры: +0,8 q для навет¬
ренной стороны и — 0,8 q для подветренной. Сравнение
показывает, что при втором варианте удовлетворитель-
256

ные результаты могут быть получены только для сило¬
вых показателей — натяжения оболочки, равнодействую¬
щих V, Н и М. Что же касается деформаций, то здесь
отмечаются совершенно недопустимые расхождения.
Порывистый ветер превращает задачу расчета обо¬
лочки в динамическую, с учетом инерционных сил. Они
проявляются особенно ярко, когда оболочка получает
возможность некоторого перемещения в потоке воздуха.
Если ветровая нагрузка носит импульсивный характер,
то и методика расчета должна отражать это явление.
Замечено, что большинство случаев разрыва оболочек
приходится на те моменты, когда избыточное давление
под оболочкой существенно ниже интенсивности ветрово¬
го напора. В слабо надутой оболочке воздух обретает
свободу перемещения и, будучи увлечен ветровым пото¬
ком вместе с оболочкой, приобретает некоторую скорость.
Кинетическая энергия системы оболочка — воздух гасит¬
ся в тот момент, когда оболочка становится препятстви¬
ем для дальнейшего ее перемещения. Если она выдержи¬
вает этот аэродинамический удар, упруго отбрасывая
воздух назад, навстречу ветру, последний опять подхва¬
тывает слабо поддутую оболочку, и удары повторяются,
что может кончиться ее разрывом.
Технологические и специальные нагрузки. В ряде слу-
Рис. 4.25. Кольцевой монорельс для тельфера, подвешенный к воя-
духоопорному куполу
257

чаев эксплуатация воздухоопорных зданий связана с не¬
обходимостью 'подвески легкого оборудования, являюще¬
гося для оболочки сосредоточенной нагрузкой. Вообще
говоря, она нежелательна, однако порой неизбежна. Это
главным образом электропроводка, арматура, светиль¬
ники и т. п. ч
Воздухоопорные оболочки нередко используются в
качестве подъемников, опалубки, плотин и т. д. В каж¬
дом особом случае нагрузки исчисляются в соответствии
со спецификой работы, выполняемой пневматической
конструкцией (например, рис. 4.25).
Глава 5
МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
5.1. МОНТАЖ, ДЕМОНТАЖ, ТРАНСПОРТ
Монтаж воздухоопорных зданий состоит из подго¬
товки и устройства основания оболочки (нулевой цикл);
установки металлоконструкций шлюзов; монтажа возду¬
хонагнетательных (ВУ) и, если предусматривается, ото¬
пительных установок (ОУ); крепления оболочки к опор¬
ному контуру, шлюзам и подсоединения к ВУ и ОУ с по¬
мощью воздуховодов; наполнения оболочки воздухом.
Жесткий или пневматический поддерживающий каркас
(если он предусматривается) обычно устанавливают под
оболочкой по завершении ее монтажа.
Начальная стадия монтажа зданий стационарных и
мобильных неодинакова, поскольку различно для них
все то, что лежит ниже силового пояса. Оболочки ста¬
ционарных зданий монтируют, как правило, на фунда¬
ментах ленточного типа. Иногда их даже включают в
состав капитального здания, врезая в его объем, подклю¬
чая к нему, располагая на крыше. В этом случае ан¬
керные петли для соединения с оболочкой закладывают
в фундаменты или в примыкающие конструкции, приме¬
няя один из способов анкеровки и герметизации (см.
рис. 3.18).
Подготовка основания для мобильных сооружений
заключается в постановке анкеров (обычно винтовых
свай или штопоров) и предварительной планировке пло¬
щадки с организацией водоотвода.
Точки крепления оболочки к основанию размещают в
соответствии с разбивочным чертежом, который должен
258

а
б|в
Рис. 5.1. Этапы монтажа воздухоопорных зданий
а — предпоследний этап монтажа — оболочка прикреплена к опорному кон¬
туру и каркасам шлюзов, воздуховоды присоединены; б — оболочку купола
спортзала целиком вносят внутрь опорного контура; в — монтаж оболочки
на кольцевом фундаменте из железобетона
входить в состав технической документации, составляе¬
мой заводом-изготовителем. По этому же чертежу уста¬
навливают каркасы шлюзов и производят их анкеровку.
Если это предусмотрено конструкцией сооружения, к
каркасу крепят тент шлюза.
259

Не очень трудоемкий, но весьма ответственный мо¬
мент монтажа — соединение основной оболочки с анке¬
рами и порталами шлюзов (рис. 5.1,а). Наибольшие
сложности возникают при несовпадении предусмотрен¬
ных проектом точек контакта оболочки с анкерами.
Соблюдение точных размеров при изготовлении оболочек
затруднительно. Еще труднее обеспечить должную точ¬
ность при размещении анкеров. Поэтому всегда следует
отдавать предпочтение таким конструкциям силового
пояса и анкеров, которые позволяют «разгонять невязки»
по опорному периметру и в нормальных к периметру
направлениях. Наихудшим в этом смысле следует приз¬
нать катенарный пояс, наилучшим — кромочный с двумя
контурными трубами. Успех этого этапа в значительной
степени зависит от способа раскладки оболочки на грун¬
те перед ее развертыванием. Оболочка, сложенная в виде
тюка и помещенная в заранее намеченную точку мон¬
тажной площадки, должна быть развернута так, чтобы
исключить перетягивание и подтаскивание ее кромок к
местам крепления. Способ укладки оболочки должен
быть продуман еще на заводе, при упаковке. Его можно
сравнить с укладкой парашюта в ранец перед прыжком.
Чтобы повысить точность раскладки, на оболочке
делают риски (метки), которые совмещают с характер¬
ными точками разбивочного чертежа, вынесенного в на-
туру (оси, углы, шлюзы и др.). Зимой раскладывать и
развертывать оболочку надо осторожно. Большинство
материалов покрытий при низких температурах стано¬
вятся хрупкими. Показатели морозостойкости в техни¬
ческих характеристиках (например, — 60°С) относятся к
разрывной прочности силовой основы. Это значит, что
оболочку можно эксплуатировать при морозе до —60°С,
но монтировать ее при температуре ниже —20°С не ре¬
комендуется. Если обстоятельства все же к этому при¬
нуждают, то оболочку перед монтажом разогревают в
нераспакованном виде в грузовом шлюзе, подавая в него
теплый воздух от теплогенератора (ТГ). Еще не остыв¬
шую оболочку развертывают и крепят к анкерам, подду¬
вая теплым воздухом.
Развертывание оболочек больших сооружений — не¬
простая инженерная задача. Она особенно усложняется,
если монтажная площадка не свободна от заранее
установленного оборудования (рис. 5.1,в).
Последний из подготовительных этапов — присоеди¬
260

нение к воздуховодам диффузоров ВУ и ОУ, монтаж ко¬
торых к этому времени должен быть завершен. Одно¬
временно наружные воздуховоды соединяют с оболочкой.
Завершающий этап — наполнение оболочки возду¬
хом — выполняется при сравнительно слабом (не более
5 м/с) ветре. В противном случае по недонаполненной
оболочке начинают перекатываться воздушные волны
(см. рис. 4.18), способные ее порвать или вырвать ан¬
керы. Время наполнения оболочки средних размеров 20—
30 мин. Чем оно короче, тем лучше для оболочки. Поэ¬
тому, после того как исчезнут сомнения в правильности
всех присоединений оболочки, можно включить все
имеющиеся вентиляторы сразу, которые должны быть
готовы к выключению при первых признаках неполадок.
Первоначальное наполнение оболочки — драматический
момент: все скрытые до поры до времени дефекты из¬
готовления и монтажа становятся явными. Это — пер¬
вичное испытание прочности, правильности формы и
анкеровки оболочки (не считая заводских испытаний).
Если оно прошло благополучно и визуально никаких
неправильностей не обнаружено, полезно дать давление
воздуха примерно в полтора раза выше расчетного, что¬
бы убедиться хотя бы в полуторакратном запасе безо¬
пасности.
Общее время, затрачиваемое на возведение воздухо¬
опорного здания, определяется главным образом дли¬
тельностью выполнения нулевого цикла. Собственно,
этот цикл и отличает монтаж стационарного здания от
мобильного, обычно длящегося не более одного рабочего
дня.
Демонтируют оболочки в обратной монтажу после¬
довательности. Как и при монтаже, скорость ветра ог¬
раничена 5 м/с. Трудозатраты на демонтаж раза в пол¬
тора меньше, чем на монтаж (если не предусматривают¬
ся ремонт, мытье и сушка оболочки).
После отключения вентиляторов и открытия дверей
(ворот) оболочка, «выдавливая» своим весом воздух из
помещения, начинает опускаться. Этот процесс нередко
протекает очень медленно, а при сильном ветре, вры¬
вающемся в открытые проемы, может вообще приоста¬
новиться. Ускорить выход воздуха из-под оболочки мож¬
но путем реверсирования ВУ, что осуществимо только
осевыми вентиляторами. Центробежные вентиляторы
для этой цели конструктивно не приспособлены.
261

Заключительный этап демонтажа — укладка комп¬
лекта пневматического сооружения в транспортную та¬
ру. Оболочку предварительно чистят (моют) и просуши¬
вают. В дождь или снегопад от демонтажа воздержива¬
ются.
Для многооборачиваемых и «кочующих» оболочек по¬
лезно иметь тару в виде прочного инвентарного ящика
с полозьями для транспортирования на короткие рас¬
стояния. Так, оболочку воздухоопорного здания разме¬
рами 32X16X8 м, уложенную в такой ящик 215Х160Х
XI40 см, свободно буксирует по грунту автомобиль
ЗИЛ-157.
Особенности зимней эксплуатации воздухоопорных
зданий сводятся к необходимости принятия мер против
засасывания снега в воздухоприемные отверстия ВУ,
для чего следует располагать их на высоте не менее 1 м
от земли; удаления снега, соскальзывающего с оболочки
и образующего по ее периметру сугробы, «обжимающие»
оболочку, сокращающие ее пролет и изменяющие рас¬
четные условия ее работы. Под действием снеговой наг¬
рузки оболочка оседает, крутизна ее скатов у вершины
уменьшается. Если во время интенсивного снегопада
давление воздуха под оболочкой будет недостаточным,
то она может приобрести отрицательную кривизну, стать
чашеобразной, наполниться снегом и опуститься. Подъ¬
ем такой оболочки путем повышения давления, как пра¬
вило, не приводит к желаемым результатам, и снег при¬
ходится удалять вручную.
5.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Воздухоопорное здание для нормального функциони¬
рования требует избыточного давления воздуха, уровень
которого, определяемый статическим расчетом, обычно
не выходит за пределы 100—350 Па. Такое невысокое
давление могут создавать любые промышленные венти¬
ляторы, которые и являются основным воздухонагнетаю¬
щим оборудованием пневматического сооружения.
При проектировании ВУ надо прежде всего решить
вопрос о числе вентиляторов и назначении каждого из
них, об их параметрах (напор и производительность) и
обеспечении их устойчивой работы.
Воздухонагнетательная установка пневматического
сооружения представляет собой в наиболее полном виде
262

сложный агрегат, состоящий из нескольких вентиляторов
(рабочих, резервных, дополнительных), запасных источ¬
ников энергии и приборов автоматического или ручного
управления. В простейшем виде ВУ — это один вентиля¬
тор (рис. 5.2,а). Существенной деталью установки
Рис. 5.2. Вентилятор и варианты обратных клапанов
а — принципиальная схема; б — г — клапаны жесткой конструкции;
д — ж — то же, мягкой конструкции
/ — вентилятор; 2 — электродвигатель; 3 — клиноременная передача; 4 — вса¬
сывающий патрубок; 5 — предохранительная сетка; 6 — воздушная заслонка
(дроссель); 7 —диффузор; 8 — обратный клапан; 9 — воздуховод; 10 — соеди¬
нительный хомут; // — мягкий патрубок оболочки; 12 — оболочка; 13 — струе¬
отклоняющий карман
является обратный клапан, препятствующий выходу воз¬
духа из-под оболочки при выключенном вентиляторе
(рис. 5.2, б—ж).
Рабочие вентиляторы обеспечивают заданный уро¬
вень избыточного давления воздуха под оболочкой и
необходимый объем подаваемого воздуха в условиях
нормальной эксплуатации.
Резервные вентиляторы дублируют рабочие при вы¬
ходе их из строя или профилактическом обслуживании.
Параметры резервных и рабочих вентиляторов обычно
одинаковы.
263

Дополнительные вен¬
тиляторы служат для под¬
держки рабочих в особых
ситуациях, когда необхо¬
димо существенно увели¬
чить приток воздуха под
оболочку (компенсация
утечек воздуха при вне¬
запной разгерметизации
оболочки, необходимость
усиления воздухообмена)
или повысить уровень из¬
быточного давления воз¬
духа (при ураганном вет¬
ре). Дополнительные вен¬
тиляторы отличаются по¬
вышенными параметрами,
прежде всего по напору.
Вентиляторы, как пра¬
вило, приводятся в дейст¬
вие электродвигателями,
питающимися от внешней
сети. Резервные источники электроэнергии нужны на
случаи прекращения электроснабжения от сети. Ими
служат генераторы, работающие от двигателей внутрен¬
него сгорания, или передвижные электростанции (рис.
5.3). Не исключается применение резервных мотовенти¬
ляторов, непосредственно связанных с двигателем вну¬
треннего сгорания, минуя стадию выработки электро¬
энергии.
Автоматическое управление резервными и дополни¬
тельными вентиляторами, равно как и включение резерв¬
ных источников энергии, производится через релейные
устройства, команды которым посылают датчики, реаги¬
рующие на падение давления воздуха под оболочкой,
обесточение сети, повышение скорости ветра и др. Слу¬
чаи включения резервных и дополнительных ВУ рассмот¬
рены в табл. 5.1.
Производительность вентиляторов Q назначается из
условия удовлетворения двум требованиям: компенсации
всех возможных утечек воздуха из-под оболочки при
нормальных условиях эксплуатации и обеспечения крат¬
ности воздухообмена в помещении.
Воздух из-под оболочки может выходить через мате-
Рис. 5.3. Автоматизированный ди¬
зельный электроагрегат АСДА-12
264

Таблица 5.1. Использование средств обеспечения функциональной устойчивости воздухоопорных зданий
о*
2
2
С
U
<и
tr
2
п
X
CQ
О)
а
U,
яЗ
о «
е х
а и
о. л
О Я
\0 'О
я о
Л
я
я
я
а
Е
a
СЧ
2 «
* Л
2 «
а>
К
я
е Ч ч
s 2 о
£ «
к 2
о г ^
5 я >>
So£§
£ е g
g о
So н
g S Я я
S«gS
H >>£ g
< д g s
Ou
О
H
я
4
я
£
о
я
Я
и
о
с
Я Я
£ s
s я
Я О)
; *
«
я
я
оз
£
о я
н о
я
< е
Л а.
Он о
О Н
н я
g 4
Он S
SJ н
Я ?г
а» <у
t- i_
5 о
^ £
о
VO
Я
Он
я
о
ч
<Т)
я
к
я
В
а>
я
СО
к
о
Он
Ч
о
CU
Ч
о
X «я
3 о
СО н
К а;
% я
оз о
Он О.
я £
О.
с £
я >*
ч ч
ss
я
я
8 я
я с
я
й 2 Я
2 >>я
S я я
2 я я
£ >* н
я о. Я
< я Ч
я >»
<и ю
я н
о
«’S
i ^ s
I s gi
Е cug
S в>о
н ^
я Он Он
§ н £
я к а>
о g Я
Оно
1
о сз
£ >»
О) <г)
я я
< СО
<и я
C0U
« X
3
я
н
<и а;
S Ег
я о
“ «
д 04
з 2
о
н
я
Он
о
н
я
ч
CQ
Я
ч
я
Он
н
о о
£ ■■
я ч
СЗ я
S
о
Он
я
я
ч
я
3
я
3
Он
со
я
а,
VO
о
X
VO
о
о
я
2 я
я о
я о
о S
Он S
СО Ч
о
н
VO
(V
X
я
ч
о
я
я
я
о
я
я
я
ч
я
н
я
О)
я
Он
я
я
сь о я
v я s
С Я Е—н
2
S О
S 2
я 2
£га
^ я
ч
Л о
Н и
о
О сЗ
3 S
Я О)
4 tQ «,
о vo 2
X Оч,
о £*
о Я 5
“ я о
X Я Я
265

риал оболочки (причем тем интенсивнее, чем сильнее
материал напряжен); отверстия, пробиваемые иглой в
заводских шитых швах; неплотности монтажных швов;
вентиляционные отверстия; неплотности примыкания
оболочки к опорному контуру и рамам входных проемов;
неплотности в притворах дверей и ворот. Два последних
вида утечки наиболее значительны. Количественная
оценка каждого из перечисленных факторов весьма за¬
труднительна. Поэтому при расчете обычно учитываются
«интегральные» характеристики герметичности оболочки.
Для подсчета утечки воздуха из-под оболочки через
отверстия и неплотности в стыках пользуются известной
формулой, основанной на законе Торричелли о скорости
идеальной жидкости при вытекании из малого отверстия:
L = iifV2jT?, (5.1)
где L — эксфильтрация из-под оболочки, м3/с; и — коэффициент рас¬
хода, зависящий от условий утечки; f — суммарная площадь отверс¬
тий, м2; р — плотность воздуха цри атмосферном давлении, р =
=,1,293 кг/м3; р — избыточное давление воздуха, Па.
L = 1,245 (х f Y~p . (5.2)
Обычно коэффициент р=0,6... 0,7. Однако для прак¬
тических расчетов более наглядно произведение |if —
общая характеристика герметичности здания;
Hf = kt,
где /—суммарный периметр сопряжения оболочки с основанием и
обрамлен,иями входов, м; k — приведенная средняя ширина щелей
по периметру, м.
Значения k экспериментально установлены при сле¬
дующих способах уплотнения контура оболочки: сталь¬
ными полосами вдоль ленточного бетонного фундамента
1 мм; мягкими фартуками, присыпанными грунтом, 2 мм;
свободно лежащим мягким фартуком 3 мм. В зимнее
время, когда фартуки нагружаются снегом и примерзают
к основанию, значение к в двух последних случаях
уменьшается примерно в 1,5 раза.
Эксфильтрация через пробиваемые иглами отверстия
шитых швов может быть заметной, особенно при силь¬
ных натяжениях оболочки. Специальные исследования
[5.1] показывают, что негерметичность при натяжении
материала 51-019, равном 7 кН/м, достигает Ы0~5 м2
на 1 м длины шва. В оболочках, прослуживших некото¬
рый срок, она еще выше. После трехлетней эксплуатации
следует вводить поправочный коэффициент 1,4.
266

Воздухообмен в помещении зависит от функции со¬
оружения. В складах, например, воздухообмен ограни¬
чен, и производительность ВУ по воздуху Q будет цели¬
ком определять утечки воздуха. С другой стороны, если
помещения требуют усиленного воздухообмена (до 3—5
объемов в час), то производительность ВУ определяется
кратностью обмена воздуха. Упрощенно можно считать,
что утечки воздуха пропорциональны линейным размерам
помещения, тогда как воздухообмен пропорционален их
кубу. Поэтому малые здания, для которых производи¬
тельность ВУ рассчитана по утечкам, имеют интенсив¬
ный воздухообмен, большие — наоборот. Если в качест¬
ве примера взять два типовых сооружения УПС-8 и
УПС-20, то при р= 160 Па получим следующую картину
(табл. 5.2).
Таблица 5.2. Воздухообмен в здании
Тип
здания
Размеры, м
дхшхв
Объем V, м*
Площадь по¬
ла F, м*
Периметр ос¬
нования Р, м
ц f =
= 0,0015 Р, м
Производи¬
тельность ВУ
Qo* м3/ч
Кратность
воздухо¬
обмена
QolV, 1/ч
УПС-8
УПС-20
WXSX4
40X2,0X10
335
5240
115
714
41
103
0,0615
0,1550
3450
8680
10,3
1,6
Как видно из последней графы табл. 5.2, производи¬
тельность, рассчитанная по утечкам воздуха, обеспечи¬
вает более чем 10-кратный обмен воздуха в малом зда¬
нии, но менее чем двукратный в большом.
Производительность вентиляторов может зависеть
также и от заданного времени наполнения оболочки
воздухом при монтаже сооружения. Обычно оно не пре¬
вышает 30 мин.
Если производительность одного вентилятора оказы¬
вается недостаточной, что для большеразмерных зданий
не редкость, то в состав ВУ их включают два или более.
Например, оболочку павильона США на ЭКСПО-70 в
Осаке обслуживали четыре одновременно работавших
вентилятора, а покрытие над стадионом в Понтиаке
поддерживается десятью вентиляторами.
Компенсация утечек и обеспечение обмена воздуха
требуют постоянной подачи воздуха. Однако имеются
дополнительные статьи расхода воздуха периодического
267

а |_б
в I г
Рис. 5.4. Вентиляторы, применяемые для воздухоопорных оболочек
a — центробежный с клиноременной передачей; б — центробежный, соосный
с электродвигателем; в — центробежный спаренный; г — осевой
характера. К ним относятся в первую очередь расход
воздуха при шлюзовании, который при интенсивном
пользовании входами, например в выставочных павильо¬
нах, может считаться постоянным и суммироваться с
указанными выше расходами. В обычных же условиях
этот расход учитывают не всегда, мирясь с тем, что вре¬
менное снижение уровня давления воздуха под оболоч¬
кой будет быстро восстановлено, так как производитель¬
ность ВУ всегда несколько превышает сумму возможных
утечек воздуха. Дополнительный приток может потребо¬
ваться и при необходимости усиленной вентиляции (ги¬
первентиляции) помещения для борьбы с летним пере¬
гревом, а также для компенсации повышенных утечек
воздуха в случаях повреждения оболочки (в том числе
ее прогорания при пожаре в помещении).
268

Для воздухоопорных зданий применяются осевые и
центробежные вентиляторы низкого давления (рис. 5.4).
Осевые вентиляторы с приводом от электродвигателя
проще и несколько дешевле. В то же время они более
шумны, особенно при высокой частоте вращения. Цент¬
робежные вентиляторы обладают значительно более вы¬
соким напором и производительностью, их легко прис¬
пособить к приводу от любого двигателя. Поэтому они
стали основным типом вентилятора для воздухоопорных
зданий, тогда как осевые вентиляторы применяются для
сравнительно малых сооружений с легкой оболочкой.
Практикой эксплуатации установлен оптимальный
тип вентилятора — центробежный двухстороннего вса¬
сывания, соединенный с электродвигателем клиноремен¬
ной передачей. Преимущества двухстороннего всасыва¬
ния усматриваются в повышении производительности,
улучшении условий работы вала (двухопорная схема
вместо консольной), снятии осевой нагрузки с подшип¬
ников. Клиноременная передача удобна тем, что позво¬
ляет регулировать параметры вентилятора заменой его
шкивов, а также способствует уменьшению шума и ско¬
рости воздушного потока в результате снижения часто¬
ты вращения вентилятора. Однако она несколько увели¬
чивает габариты ВУ и снижает кпд примерно на 4э/0|.
Параметрами вентиляторов служат Q0 — производи¬
тельность по воздуху (м3/с) при нулевом напоре и Н0 —
напор (Па) при нулевой производительности. Можно
приближенно считать, что промежуточные значения ра¬
бочей производительности вентилятора Q и избыточного
давления р воздуха под оболочкой связаны с параметра¬
ми Q0 и Й0 зависимостью эллиптического вида:
Q2/Qo + P2/tfo = l. (5.3)
По этой формуле можно вычислить параметры Q0 и
#о, зная р и Q, определяемые соответственно статиче¬
ским расчетом и расчетом производительности вентиля¬
тора. Недостающим вторым уравнением может служить
установленное практикой соотношение между р и Н0
Но = (1,25 ... 1,75) р. (5.4)
При установившемся режиме работы ВУ давление
воздуха под оболочкой поддерживается на уровне р, а
269

подача воздуха равна его утечкам через неплотности
(Q = L). Подставляя в (5.3) выражение L из (5.2) с уче¬
том (5.4), округленно получим, м3/ч:
Qo3600 (1,5... 2) ц. / V~P • (5.5)
По условию воздухообмена
Qo = nV, (5.6)
где п — заданная кратность воздухообмена, 1/ч; V — объем зда¬
ния, м3.
По условию времени наполнения оболочки воздухом
2 Qo = V//, (5.7)
где 2Qo — суммарная производительность всех вентиляторов; t —
заданное время подъема оболочки, ч.
Номинальный (паспортный) напор Н вентилятора
должен обеспечивать заданный уровень избыточного
давления р воздуха под оболочкой, который определяет¬
ся расчетом. Он должен компенсировать падение напо¬
ра при прохождении потоком воздуха местных препятст¬
вий в виде диффузоров и обратных клапанов, струеот¬
клоняющих карманов или щитков, воздуховодов и др.,
сумма которых, выраженная в Па, составляет примерно
15 у,
где v — скорость входа потока воздуха в оболочку (обычно в пре¬
делах 8—15 м/с).
На практике не всегда точно руководствуются ре¬
зультатами расчетов по формулам (5.5) и (5.6), что ил¬
люстрирует рис. 5.5. Некоторые «выпадения» из сред¬
них результатов можно объяснить. Например, точка 5
соответствует укрытию радиолокационной антенны —
помещению с весьма высокой степенью герметизации,
тогда как точка 10 — плавательному бассейну, где необ¬
ходим интенсивный воздухообмен.
Установка излишней мощности не вызывает пропор¬
ционального перерасхода электроэнергии. Правильное
регулирование работы ВУ путем дросселирования за¬
слонками всасывающих или напорных патрубков вен¬
тиляторов, установки двухскоростных двигателей, пере¬
ключения соединений обмоток двигателей с треугольни¬
ка на звезду или периодического включения вентилято¬
ров может привести к существенному снижению расхо¬
дуемой энергии.
270

а
Рис. 5.5. Сравнение результатов теоретических расчетов с приме¬
рами из практики
а — производительность ВУ по воздуху; б — установленная мощность элек¬
тродвигателей
/ — теннисный корт; 2 — строительный тепляк; 3 — сферический купол (про¬
ект); 4 — ледяной каток; 5 — укрытие радиолокационной антенны; 5 —выста¬
вочные павильоны; 7, 8 — помещения общего назначения; 9 — спортивный ма¬
неж; 10 — плавательный бассейн
В зависимости от выбранной производительности вен¬
тилятора Q (м3/с) и напора р (Па) мощность электро¬
двигателя определяется формулой, кВт,
N =
Qp
1020 rjB т]п
(5.8)
где г|в и Лп—кпд 1СООтветственно вентилятора и .передачи (для кли-
ноременной передачи т]п = 0,9б).
Эмпирическая формула, связывающая мощность дви¬
гателя ВУ с площадью F, м2, предложена Р. Брилкой
[5.4]:
N = F/165 ... 200.
(5.9)
Формула (5.9) более пригодна для зданий средних и
больших размеров. Для малых она дает заниженный ре¬
зультат, почему мощность не следует принимать ниже
2—3 кВт.
На графике рис. 5.5,6 сопоставлены зависимости (5.9J
с данными практики по нескольким воздухоопорным
зданиям, смонтированным в различных странах.
271

Несмотря на то, что воздухонагнетательным устрой¬
ством может служить любой промышленный вентилятор
соответствующих параметров, предпочтительнее исполь¬
зовать вентиляторы специального изготовления, обла¬
дающие высокой надежностью в работе и рядом специфи¬
ческих характеристик. В частности, они должны быть
приспособлены к очень длительной бесперебойной рабо¬
те в любых внешних условиях (температура, влажность,
осадки, пыль и т. п)1, иметь защиту от неполнофазного
режима, перегрева, быть оборудованными техникой бе¬
зопасности (заземлением, сетками на всасывающих
патрубках, защитными кожухами на приводных ремнях
и др.). В целях снижения уровня шума, особенно при при¬
менении осевых вентиляторов, может быть, придется
оборудовать ВУ звукопоглощающими кожухами. Если
предъявляется требование обеспыливания подаваемого
воздуха, то в состав ВУ включают фильтры.
В статических расчетах обычно фигурируют два
уровня избыточного давления воздуха под оболочкой —
минимальный, обеспечивающий стабильность ее фор¬
мы при действии внешних нагрузок, и максимальный,
ограничиваемый прочностью материала оболочки. Нали¬
чие этих пределов часто наводит на мысль об автомати¬
ческом выключении ВУ в моменты, когда избыточное
давление достигает верхнего предела, и включении при
падении давления до нижнего предела.
На первых порах освоения пневматических сооруже¬
ний нами было испытано много систем датчиков, реаги¬
рующих на изменение давления и дающих команду вен¬
тиляторам: анероидиые коробки, сильфоны, дифферен¬
циальные манометры, патентованные прессостаты и да¬
же сами оболочки как мембраны, реагирующие на дав¬
ление воздуха. Однако в дальнейшем стало ясным, что
принцип «включение-выключение» несостоятелен, и в
настоящее время, как правило, основные рабочие венти¬
ляторы используются в непрерывном режиме. Дело в
том, что изменение избыточного давления воздуха даже
в широких диапазонах связано со сравнительно малым
дополнительным объемом воздуха, который теряет или
1 В Центрально-черноземной полосе -страны во время пыльной
бури ВУ засосала в воздухоопорное здание УПС-16 (32X16X8 м)
пыль слоем на полу 4—-5 см, т. е. 20—25 м3; в северных районах
страны отмечались случаи засасывания в метель снега в таких объ¬
емах, что для его удаления применяли бульдозер.
272

приобретает оболочка (см. п. 5, гл. 3). Поэтому цикл
переключения оказывается очень коротким.
Продолжительность цикла включения вентиляторов
определяется суммой времени падения давления воздуха
под оболочкой от Рмакс до рМин при выключенном венти¬
ляторе и времени поднятия давления от рмин до рМакс при
работающем вентиляторе. Время падения давления
t
Рмакс Рмин
Ра
у_
L 9
(5.10)
где ра — атмосферное давление; L — суммарные утечки воздуха
из-под оболочки, определяемые по формуле (5.2) при среднем дав¬
лении (Рмакс“1“Рмин )/2, м3/с.
Полный цикл составит около 2t.
Особенно коротка цикличность у транспортабельных
зданий, не отличающихся высокой герметичностью. Но
и для зданий в стационарных условиях эксплуатации,
при хорошей герметизации опорного контура, характе¬
ризуемой показателем р/=0,08, он невелик. Так, для
сферического купола диаметром 26 м и высотой 19 м
(V=7570 м3), при Рмин=200 и рМакс = 500 Па, утечки,
найденные по формуле (5.2), составляют:
L = 1,245-0,08
500 + 200
= 1,8 м3/с.
Продолжительность цикла
согласно формуле (5.10),
500 — 200
Т = 21 = 2
100 000
включения вентилятора,
7570
1,8
= 25
с.
Экономия электроэнергии, ожидаемая от периодиче¬
ского выключения вентиляторов, сводится на нет часты¬
ми пусковыми моментами и общим падением кпд элект¬
родвигателей. Кроме того, цикличное натяжение оболоч¬
ки неблагоприятно сказывается на стойкости защитного
покрытия тканевой основы материала оболочки. Тем не
менее периодическое включение может оказаться ра¬
циональным при двух действующих вентиляторах в ВУ.
Один из них работает постоянно, второй автоматически
включается при понижении давления. В этом случае
частота включения снижается.
5.3. БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ
Воздухоопорные здания относятся к наиболее без¬
опасным строительным конструкциям в том смысле, что
10 За к. 510
273

потеря ими несущей способности, как правило, не сопро¬
вождается катастрофическими последствиями — обру¬
шением, опасным для находящихся в помещении людей
или имущества. Необратимые деформации пневматиче¬
ских конструкций как следствие достижения ими перво¬
го предельного состояния (потеря устойчивости) или
второго (недопустимые прогибы) исключены, так как
любые деформации немедленно восстанавливаются пос¬
ле ликвидации причины их возникновения, например
чрезмерной нагрузки или недостаточного давления
воздуха.
В случае аварии оболочка медленно опускается на
пол. Этого времени часто бывает вполне достаточно для
принятия необходимых мер безопасности. Масса опус¬
кающейся оболочки слишком незначительна, чтобы на¬
нести заметные повреждения находящимся под ней лю¬
дям и имуществу. Однако в последние минуты опускания
оболочка склонна к «полосканию», что при сильном вет¬
ре (более 10 м/с) может вызвать поломки имущества и
новые разрывы в оболочке при контакте с жесткими
конструкциями, которые оболочка покрывает или с кото¬
рыми она соединена. Основной причиной, приводящей
оболочку в аварийное состояние, является потеря необ¬
ходимого уровня избыточного давления воздуха. Она
может произойти в результате прекращения подачи воз¬
духа под оболочку (авария ВУ) или же превышения уте¬
чек воздуха из-под оболочки над его поступлением от
ВУ (разрыв оболочки или ее разгерметизация).
Избыточное давление воздуха под оболочкой так же
гарантирует устойчивость воздухоопорного здания, как
подъемная сила делает возможным полет самолета.
И то и другое — результат работы двигателей. Однако
прекращение подачи воздуха еще не катастрофа, хотя
это может вызвать нежелательные последствия. Поэто¬
му устойчивое функционирование здания и его безопас¬
ность должны быть гарантированы надежностью работы
воздухонагнетающих устройств, . включая источники
энергии, питающие ВУ, и возможностью предотвраще¬
ния крупных разрывов (прожогов) оболочки или нару¬
шения ее связи с основанием.
Несмотря на то, что прекращение работы вентилято¬
ров само по себе не опасно ни для находящихся под обо¬
лочкой людей или имущества, ни для оболочки, если она
не опускается на острые предметы в ветреную погоду,
274

особенно при дожде или снегопаде, эта неисправность
очень нежелательна, хотя бы даже потому, что сам факт
опускания оболочки подрывает доверие к пневматиче¬
ским конструкциям вообще.
Разрабатывая основной блок комплектующего обо¬
рудования — воздухоподающий — следует учитывать
последствия, которые может вызвать прекращение рабо¬
ты вентиляторов и опускание оболочки. Имеет смысл
разбить пневматические сооружения на категории на¬
дежности в зависимости от их функционального назна¬
чения и в связи с этим назначать состав основного и дуб¬
лирующего воздухоподающего оборудования, автомати¬
чески включающегося по сигналу отсутствия тока в цепи
или падения давления воздуха.
Категория сооружения должна определяться послед¬
ствиями, которые возможны при отказе воздухоподаю¬
щей системы (табл. 5.3). Одно дело, например, опуска¬
ние оболочки на отсыпанный конус удобрений, другое —
наводнение, вызванное аварией мягкой плотины. Послед¬
ствия, которые могут быть вызваны падением давления
воздуха под оболочкой, в зависимости от назначения со¬
оружения можно разделить на четыре категории:
I — гибель людей, порча ценного имущества, невы¬
полнение задач государственной важности;
II — угроза безопасности людей, порча оборудова¬
ния, прекращение производственных процессов;
III — временное прекращение функционирования, по¬
вреждение оболочки, порча малоценного имущества;
IV — опускание оболочки без ущерба для нее самой
и находящегося под ней имущества.
Первая авария пневматической конструкции прои¬
зошла в Лос-Анджелесе, США, в ноябре 1943 г., когда
воздухоопорных зданий, как таковых, еще не существо¬
вало. Это был первый опыт торкретирования железобе¬
тонного купола диаметром 30,5 и высотой 9,8 м на пнев¬
матической опалубке в виде брезентовой оболочки. Сна¬
чала обнаружили, что давление воздуха оказалось в три
раза ниже, чем нужно. Потом вышел из строя один из
трех вентиляторов. Купол был забетонирован только
после ликвидации последствий аварии.
Массовое возведение воздухоопорных зданий нача¬
лось около 20 лет назад. За это время число их во всем
мире превысило сотню тысяч, и опыт эксплуатации на¬
считывает немало аварий, достойных изучения.
275

Таблица 5.3. Примерная схема разбивки сооружений воздухооп орного типа на категории
1=( Д Я
йй о * ЙГ
К и к О
5 О ев Ч
£ X п о
О >,КУО
« «3 °
% а
л о
ж н
«3 я
S о.
р. й>
я as
в «
Г).д
«1
в."
V
® Я о
S х я
4 2
со ч
О О
д Ю
К о
як
«и ж сС
С( я о
£
Я
о.
<и я
Siis
|§1§
Isl|
о°с°°
К
VO
О
VO
О
+
+
+
о
-I
a S
CL. О
Ф >>
в с
О о
и Ч
X
3
я
я
о
я
яг
со
я 3
о я
4 я
н
о
ч
к е
я -
н я
3 д
O.S
*5 я
Ръ сз
о
+
+
+
о
ф *
is
5s
^ ч
о
£ ~
о о
С VO
о
ф
2 3
я 3
к я
& *
Ш (П
Б и
g°s
со « 5
я я 5
о я g
а. ф я
с э§
*я
я
сх
к
VO
о
ф
к
о
£
со
о
03
+
+
ф
a
о
Н
a
я
ф
X
+
о
£
я
н
о
>>
Я
О
fc*
Ю ЭЯ
О
£ «
О Н
я о
8 g
s >>
я ч
>> о
£ С
я
я
О Ч
я
4 о
S«0J
5 Оч
Я Я rrt
U £ 3
3
я
н
Ч
Ф
X
Ф
X
ф 6
Й Й я
л о $
у 3
я *
« ч ^
g ф ч
® ° о
Л
я я с
3 5эЯ
° я °
s я
_ я
Я и g
|8в
5 S’S
U ftco
ф
3
я
4
03
276
Условные обозначения: Н требуется, не требуется.

Применительно к воздухоопорному зданию любое
непредвиденное опускание оболочки в результате сни¬
жения или падения давления воздуха под ней — еще не
авария, но уже аварийная ситуация. Аварией можно счи¬
тать такое развитие этой ситуации, когда она заверша¬
ется разрывом оболочки. Причиной разрыва оболочки
на первых порах ее службы, даже при пробном наполне¬
нии воздухом, может явиться концентрация напряжений
материала или возникновение усилий раздира, как ре¬
зультат ошибок раскроя полотнищ или неправильного,
может быть, чересчур неподатливого, соединения обо¬
лочки с жесткими конструкциями здания — фундамен¬
том, обрамлением проемов и т. п. О возможности воз¬
никновения таких явлений обычно сигнализирует сама
оболочка, покрываясь складками и морщинами. Их раз¬
витие предупреждают внесением необходимых исправле¬
ний при доводке конструкции или при монтаже.
Наибольшую опасность для правильно скроенной,
безупречно смонтированной и нормально натянутой обо¬
лочки представляет ветер. Однако ни опыт эксплуата¬
ции, ни теория не дают оснований считать, что норма¬
тивный ветер в состоянии разрушить воздухоопорное
здание. Тем не менее это случается. Например, пронес¬
шийся 13 ноября 1972 г. над Западной Европой «ураган
века» разрушил около 150 оболочек. В их число вошли
некоторые выдающиеся по размерам сооружения: 39-
метровый сферический купол радара в Бохуме, книго¬
хранилище в Западном Берлине (80X30X15 м), склад
в виде спаренных оболочек размерами 86,4X31,4X11,7 м
в аэропорту Франкфурта-на-Майне, эллинг дирижаблей
в аэропорту Эссен-Мюльхайм (86X36X22 м), снабжен¬
ный стальным каркасом, поддерживающим оболочку при
вводе и выводе дирижаблей. Замененная оболочка эл¬
линга была вновь порвана ураганом 2—3 апреля 1973 г.
Анализ причин разрушения воздухоопорных зданий
приводит к выводу, что разрывы оболочек всегда проис¬
ходили потому, что вследствие тех или иных обстоя¬
тельств последние оказывались в нерасчетных условиях
работы. Так, разрушение 20%! сооружений упомянутым
ураганом объясняется обрывом электропроводов, в ре¬
зультате чего оболочки лишились подпора воздуха. Ти¬
пичная картина разрушения оболочки в этом случае сле¬
дующая. Лишенная опоры на воздух оболочка теряет
форму и постепенно оседает, раскачиваясь под порыва¬
277

ми ветра. Вскоре она начинает задевать за жесткие кон¬
струкции или имущество с острыми выступами, которые
ее протирают, прокалывают, прорывают. Проникновение
ветра в прорывы довершает картину разрушения. Если
под оболочкой ничего нет или если находящееся иму¬
щество мягкое, без острых углов, то вероятность разрыва
оболочки снижается, хотя в окончательной стадии опу¬
скания оболочка часто рвется, повисая на рамах шлю¬
зов ворот.
Другой причиной разрыва оболочек, также не пре¬
дусматриваемой расчетной схемой, бывает прорыв ветра
под оболочку. Приведем такой пример. Оболочку разме¬
рами 36X16X8 м смонтировали зимой. Поскольку ввер¬
нуть винтовые сваи в мерзлый грунт не удалось, исполь¬
зовали временные анкера, привязав веревками к каждо¬
му узлу катенарного пояса по мешку, наполненному пес¬
ком. Весной веревки перерезали прогнившую мешковину,
кромка длинной стороны оболочки открылась, куда и
прорвался ветер. Оболочка была разорвана сначала по-
поперек, а затем оторвана от каркаса ворот. Аналогич¬
ный случай мог произойти и как следствие выдергива¬
ния анкеров из грунта (см. рис. 3.23,а), если бы он не
был своевременно предупрежден.
Выше (гл. 3) отмечалось, что поддерживающий кар¬
кас провоцирует отключение ВУ. Воздухоопорное здание
размерами 40X11X7 м с поддерживающим каркасом
(см. рис. 3.34) было оставлено без поддува, и оболочка
легла на рамы. Ночью прошел обильный дождь, и на по¬
верхности образовались мешки с водой объемом до 1 м3
каждый (рис. 5.6). Включение ВУ не могло преодолеть
веса воды, и мешки продолжали висеть до тех пор, пока
воду не спустили в помещение, проколов оболочку. Ана¬
логичная ситуация на другом объекте имела аварийные
последствия: рамы не выдержали веса воды, действие
которого усугубилось порывами ветра, и обрушились.
В августе 1976 г. произошла авария с самой большой
в мире воздухоопорной оболочкой, перекрывающей ста¬
дион в Понтиаке (см. рис. 2.10,г). Ветром ураганной си¬
лы была вырвана стальная стеновая панель размерами
9ХЮ м, и в открывшийся проем стал выходить воздух,
потери которого вентиляторы не смогли восполнить.
Ливень с градом заполнил ячейки оболочки, повисшей
на канатах, и две из них разорвались. Дальнейшему
распространению разрыва воспрепятствовали канаты,
278

Рис. 5.6. Образование мешков с водой на оболочке, лишенной под¬
пора воздуха и лежащей на поддерживающем каркасе
которые, кроме того, предотвратили опускание оболочки.
При расследовании причин аварии было отмечено, что
при таких обстоятельствах нельзя было поручиться за
целость и жесткость даже стального покрытия. Заметим,
кстати, что ветер разрушает более 100 тыс. обычных
зданий ежегодно [5.5].
Причинам аварий воздухоопорных зданий были по¬
священы специальные исследования [5.6, 5.16]. Авторы,
базируясь на опыте ряда стран, указывают, помимо объ¬
ективных причин аварий (потеря эластичности материа¬
ла при низких температурах, старение материала, рас¬
трескивание покрытия в результате частого складывания
и разворачивания оболочки), также и на такие, как не¬
допонимание персоналом механизма и возможностей
воздухоопорных зданий, неквалифицированное руковод¬
ство подготовкой основания и монтажом оболочки.
Это можно иллюстрировать примером и из отечест¬
венной практики. Администратор, которому смонтирова¬
279

ли воздухооиорную оболочку над спортзалом, установил
светильники на стойках из стальных труб, острые концы
которых, обрезанные автогеном, при первом же выклю¬
чении электроэнергии прокололи опустившуюся оболоч¬
ку. Дальнейших разрывов оболочка не получила только
благодаря штилевой погоде.
Пневматические конструкции, являясь продуктом
высокой технической культуры производства, требуют и
высокой культуры эксплуатации. Видимо, результатом
того, что после первых успехов появилось убеждение, что
воздухоопорные сооружения могут изготовлять все, и
явился вывод известных экспертов Б. Раша и Г. Стивен¬
са: «Конкурентная борьба за клиентов стала такой ожес¬
точенной, что от этого пострадало качество. Известно
около 200 аварий в Европе по причинам очевидных оши¬
бок в конструкции».
Тем не менее статистика ЧССР утверждает, что ава¬
рии воздухоопорных зданий по вине проектировщиков
или изготовителей составляют только 8%'. Во всех ос¬
тальных случаях были виноваты лица, не соблюдавшие
правила, изложенные в инструкциях по эксплуатации
сооружений.
Опасность перемещений оболочки при сильном ветре
не всегда реально оценивается. Отмечены случаи, когда
нормально поддутая оболочка, перемещаясь, касалась
острых предметов, слишком близко к ним размещенных,
протиралась, а затем разрывалась. Безопасное удаление
от оболочки определяется расчетом и зависит не только
от уровня избыточного давления воздуха, определяемо¬
го отношением ^ = plq, но и от абсолютных размеров
сооружения. Поэтому эксплуатационные просветы1 наз¬
начаются с учетом обоих факторов. Уже упоминавшиеся
ураганы, повредившие многие воздухоопорные сооруже¬
ния в Западной Европе, стимулировали ряд исследова¬
ний, посвященных колебаниям и перемещениям оболочек
под действием ветра. Их итоги представлены в табл. 5.4.
Одним из факторов, сдерживающих широкое приме¬
нение воздухоопорных зданий, является некоторая неоп¬
ределенность в отношении противопожарной защиты.
Рассматривая их с этой точки зрения, сталкиваются с
полным отсутствием соответствующих критериев. Уста¬
новившиеся понятия и показатели, равно как и методи- 11 По нормам различных стран просветы имеют 0,6—0,9 м.
280

Таблица 5.4. Максимально допустимые перемещения оболочки
под действием ветра (R — радиус кривизны
оболочки)
Перемещения
Нагрузка
Форма оболочки
pjq или
pipe
внутрь
наружу
Ветровая
ZU сферы
1
Я/5
Д/8
Полусфера
0,7
RI10
R/2 0
Полуцилиндр
0,8
R/8
RI 12
»
0,6
R/7
R/U
»
0,4
RI6
RI 10
Снеговая
Полуцилиндр при симметрич¬
ном отложении снега
1,2
R/5
Д/15
Полуцилиндр при односторон¬
нем снеге
1,2
RI Ю
RI 25
ка классификации горючести, оправдавшие себя при
оценке пожарной безопасности традиционных зданий и
сооружений, для воздухоопорных оказываются совер¬
шенно непригодными. Действительно, они во многом
существенно отличаются от сооружений из традицион¬
ных материалов: их оболочка чрезвычайно тонка (около
1 мм), функционирование связано с непрерывным снаб¬
жением внутреннего объема помещения воздухом по¬
вышенного давления. Ввиду этого- представляют боль¬
шой интерес натурные эксперименты по имитации по¬
жара. Они проводились во многих странах, и их резуль¬
таты позволяют сделать некоторые заключения.
Первый эксперимент в СССР был проведен в 1963 г.
под руководством автора. Объектом испытания было
здание размером 12X6X3 м из хлопчатобумажной про¬
резиненной ткани № 500 — материала сгораемого (это
доказывалось тем, что брошенный на землю подожжен¬
ный кусок ткани сгорал полностью). Результаты экспе¬
римента оказались неожиданными: после того как в обо¬
лочке прожгли паяльной лампой дыру, струя воздуха,
вырываясь сквозь нее, сбивала пламя на нижнем кон¬
туре отверстия (очевидно, здесь играло роль и охлажде¬
ние краев в результате их обдува). В верхней части ды¬
ры пламя охватывало новые участки, распространяясь,
однако, не в стороны, а вверх. Края отверстия по мере
подъема пламени сближались, протяженность горящей
кромки сокращалась, размеры пламени уменьшались, и,
наконец, струя воздуха сбивала его совсем. Это явление
281

повторялось и у других исследователей. Такую модель
пожара, однако, не следует считать универсальной. Она
Свидетельствует лишь о том, что сгораемый сам по себе
материал в сооружении приобретает признаки трудно-
сгораемости.
Многие зарубежные фирмы применяют материалы,
не горящие после удаления открытого пламени. Появи¬
лись такие материалы и у нас. Однако это не дает осно¬
вания считать пожарную опасность полностью устранен¬
ной, так как даже при непродолжительном действии пла¬
мени прогорает любой тонкий материал (в том числе
металлы), а для пневматических сооружений это чрева¬
то такими последствиями, как опускание оболочки, если
воздух,, подаваемый вентиляторами, не компенсирует его
утечки через прогоревшие отверстия.
Недостаточно еще изучены многие вопросы пожарной
безопасности оболочек из трудносгораемых материалов.
К ним можно отнести:
условия, когда возможно прогорание в оболочке от¬
верстий такой площади, при которой начинается опу¬
скание оболочки;
время, в течение которого оболочка может опуститься
до такой отметки, когда эвакуация людей и имущества
при пожаре в случае отключения ВУ затрудняется (ава¬
рийная ситуация);
распределение дыма и температуры дымовоздушной
смеси в помещении;
содержание в атмосфере помещения, где происходит
пожар, токсических продуктов горения и др.
Проведенные в различных странах испытания дают
на них неполные ответы, поскольку методика составля¬
ется таким образом, чтобы дать рекомендации только для
сооружений конкретного назначения.
В ГДР [5.8, 5.15] объектом огневого испытания был
сферический купол диаметром 25 м. Материал считался
сгораемым — тканевая основа из дедерона, покрытая
ПВХ. Испытание проводилось в три этапа. На I этапе
изучалось задымление помещения, на II —■ возгорае¬
мость оболочки при пожаре снаружи, на III — при по¬
жаре в помещении. Изменение температуры под верши¬
ной оболочки в течение опытов (этапы I—III) показано
на рис. 5.7,а.
В Англии [5.12, 5.13] огневому испытанию подвергли
воздухоопорное сооружение размером 19X9X4 м. Обо-
282

Вершина • • 1дЫМОвые испытания
Н = 1,8м
Время,мин
Вершина О—cn Огневые испытания
Н = 1,8м ^ | (пожар у стены)
Вершина Д—Огневые испытания
Н = 1,8м £г_^\(пожар в центре)
Рис. 5.7. Результаты огне¬
вых испытаний воздухоопор¬
ных зданий
а, б — изменение температуры в
вершине оболочки и на уровне
1.8 м от пола; в — изменение
видимости под оболочкой при
горении бензина; г — изохроны
положения нижней кромки ды¬
мового слоя (план и продоль¬
ное сечение)
283
ЙШ)25 '83.5 Ю.025

лочка была выполнена из найлоновой ткани, покрытой
ПВХ. Воздух подавали осевым вентилятором (Q =
= 10 000 м3/ч, Н= 130 Па). При горении бензина в цент¬
ре здания дым наслаивался в помещении сверху вниз.
При закрытых проемах он доходил до отметки 1,8 м от
пола за 30 с и до 1,2 м за 2 мин 15 с. После открытия
дверей (1X1,9 м) дым развеивался за 5 мин, но, устрем¬
ляясь к путям эвакуации, снижал их эффективность.
График задымленности помещения показан на рис. 5.7,в.
График изменения температуры под куполом при горе¬
нии большой поленницы (630 кг дров+несколько авто¬
покрышек), подожженной на полу, приведен на рис.
5.7,6.
В Швеции [5.10] объектом испытаний были два воз¬
духоопорных здания размерами 34X16X7 м. Одно из
них было сделано из иевоспламеняющегося материала,
другое — из материала, отнесенного к категории восп¬
ламеняемых. Неожиданным в этом эксперименте оказа¬
лось то, что существенной разницы в поведении различ¬
ных по сгораемости материалов отмечено не было.
В Японии [5.14] было испытано крупнейшее по тем
временам сооружение — павильон США на ЭКСПО-70
(см. рис. 2.41,в). Оболочка толщиной 0,8 мм выполнена
из стеклоткани, покрытой ПВХ; полотнища соединены
высокочастотной сваркой. Силовой системой служила
сетка 6X6 м из стальных тросов, к которым пришнуро-
вана оболочка. Черный дым (100—150 м3/с), образован¬
ный горением 119 л смеси дизельного топлива с бензи¬
ном, поднимаясь, распространялся под куполом так, как
показано на изохронах рис. 5.7,г. При испытании на про¬
горание покрытие из ПВХ стало плавиться, оболочка,
оторвавшись от троса, вздулась, и площадь отверстия
возросла до 15 м^. Оболочка стала опускаться, через
5 мин ее положение стабилизировалось, так как вентиля¬
торы общей производительностью 58 800 м3/ч продолжа¬
ли работать. Разрушение оболочки началось с расхожде¬
ния сварных швов — наименее жаростойкой ее части.
Проведенные в разных странах огневые испытания
пневматических сооружений позволяют более успешно
решать проблему пожарной защиты. Испытания под¬
твердили, что тонкая оболочка почти независимо от
группы возгораемости ее материала довольно быстро
прогорает при наличии горючих материалов в помеще¬
нии, а при достаточно больших размерах прогоревших
284

дыр опускается на пол. Поэтому основные меры проти¬
вопожарной профилактики должны быть направлены на
предотвращение прогорания больших отверстий и на
увеличение продолжительности опускания оболочки на
пол.
Следует отметить такие положительные особенности
пневматических воздухоопорных оболочек, как немед¬
ленное обнаружение их прогорания, способность восхо¬
дящего потока горячих газов поддерживать оболочку
при пожаре, простоту эвакуации, связанную с их одно-
этажностью и с непосредственной близостью безопасных
площадей. При горении оболочки не выделяется значи¬
тельная теплота, она проявляется только в результате
горения содержимого. По своим последствиям пожар
пневматического сооружения не идет ни в какое сравне¬
ние с пожаром, например, деревянного павильона.
Несгораемые материалы не имеют решительных пре¬
имуществ перед трудносгораемыми, так как малая тол¬
щина не предотвращает прогорания оболочек и после¬
дующей утечки воздуха. Однако применение трудносго¬
раемых материалов для оболочек во всех случаях пред¬
почтительнее, чем сгораемых, поскольку есть уверен¬
ность в том, что размеры прогоревших дыр будут мень¬
ше. Прошивные швы являются более надежными по
сравнению со сварными, которые при высоких темпера¬
турах скорее расходятся.
Избыточное давление под оболочкой — важнейший
фактор пожарной безопасности. Поэтому очень важно,
чтобы пожар в помещении не сопровождался прекраще¬
нием подачи воздуха под оболочку. Нужно, чтобы венти¬
ляторы работали не только как можно дольше, но и как
можно производительнее, возмещая утечки воздуха че¬
рез прогоревшие отверстия и открытые при пожаре прое¬
мы. Идеальным нужно считать такое положение, когда
время опускания оболочки до отметки 2—2,5 м от пола
превышает время эвакуации на 1—2 мин.
Обеспечению устойчивой работы вентиляторов во
время пожара могут способствовать: защита питающих
кабелей от огня (подземная проводка, применение при¬
боров из несгораемых материалов), отказ от мягких воз¬
духоводов и замена их жесткими несгораемыми, защита
ВУ от огня.
Заполнение объема воздухоопорного здания дымом
идет сверху вниз, и высота нижней кромки дыма над
285

полом 1,8 м может считаться критической. Удаление
дыма из помещения довольно затруднительно в связи с
тем, что оно сопровождается одновременным опусканием
оболочки: дым, устремляющийся в выходные проемы,
снижает видимость и затрудняет эвакуацию. Поэтому
хранение материалов, выделяющих при горении большие
объемы дыма, а также облицовка мебели, перегородок,
пола такими материалами должны быть запрещены или
ограничены. Очень важно, чтобы вводы воздуховодов
вместе со струеотклоняющими карманами действовали
так, чтобы не создавались турбулентные потоки по вер¬
тикали и горизонтали, способствующие опусканию ниж¬
ней кромки дымового слоя и его перемешиванию с чи¬
стым воздухом.
Время эвакуации при пожаре зависит прежде всего от
суммарной ширины выходных проемов. Предусмотрен¬
ная СНиП П-А.5-70* норма 0,6 м на 100 чел., возможно,
нуждается в повышении до 0,8 м (вращающиеся двери в
расчет принимать не следует, поскольку в условиях по¬
жара они перестают выполнять свои функции).
Меры пожарной безопасности (в том числе и средст¬
ва пожаротушения) зданий из традиционных материа¬
лов, где предусматривается пребывание людей, в прин¬
ципе применимы и к воздухоопорным зданиям. Вместе
с тем необходимо учитывать и некоторые их специфиче¬
ские требования.
Проблема пожарной защиты воздухоопорных зданий
еще далека от полного разрешения. Предстоит решить
ряд задач: классификацию функций пневматических со¬
оружений (с позиций пожарной опасности), установле¬
ние нормативов их площади в зависимости от назначе¬
ния, нормирование числа людей, одновременно находя¬
щихся в здании, и др. Примером опытно-теоретического
исследования должно явиться построение модели пожа¬
ра, учитывающей все временные факторы, связанные со
свойствами материалов, характеристиками ВУ, особен¬
ностями горючей «начинки» помещений и др. Необходи¬
ма серия натурных экспериментов при самых разнооб¬
разных параметрах сооружений и пожара.
5.4. МИКРОКЛИМАТ ПОД ОБОЛОЧКОЙ
Чем тоньше ограждающая конструкция, отделяющая
помещение от внешней среды, тем труднее создать в по¬
мещении климат, отличный от окружающего. Малая тол¬
286

щина однослойной оболочки воздухоопорного здания
служит первопричиной интенсивного охлаждения возду-
ха в помещении зимой, выпадения конденсата и образо¬
вания наледи на внутренней поверхности оболочки или
же перегрева его летом. Температура воздуха в неотап¬
ливаемом здании, как правило, несколько выше темпе¬
ратуры наружного возду¬
ха в ходе ее суточных ко¬
лебаний. Разница зави¬
сит в основном от интен¬
сивности 'Солнечной ради¬
ации (рис. 5.8).
Теплотехнические ха¬
рактеристики однослой¬
ных оболочек очень не¬
высоки. Поэтому созда¬
ние нужного перепада
температуры требует
больших расходов тепла
и применения отопитель¬
ных установок (ОУ) вы¬
сокой теплолроизводи-
тельности. Теплоемкость
оболочки ничтожна, и
при необходимости обо¬
грева помещения лишь в
рабочее время суток наи¬
более оправдавшим себя
способом отопления ока¬
зался подогрев подавае¬
мого воздуха калорифера¬
ми. Калорифер не только
нагревает воздух, поступа¬
ющий в его теплообмен¬
ный блок, но и поддержи-
Рис. 5.8. Примерные летние термо¬
граммы (а) и гигрограммы (б)
1 — наружного воздуха; 2 — воздуха
под оболочкой; 3, 4 — «зубцы» термо-
-грамм, соответствующие набеганию об¬
лаков в 10 и 15 ч '
вает избыточное давление
под оболочкой благодаря напору, создаваемому вентиля¬
тором, который прогоняет холодный воздух через тепло¬
обменник. В зависимости от источника тепла, нагреваю¬
щего воздух в теплообменнике, калориферы могут быть
водяными (паровыми),: электрическими или огневыми.
Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации
электрические калориферы. Однако они не получили ши-
287

Рис. 5.9. Отопительные установки для воздухоопорных зданий
вверху — теплогенератор ТГ-150 теплопроизводительностью 150 тыс. ккал/час
(630 МДж/ч); внизу—«Вансон» ТВ-325 теплопроизводительностью 325 тыс.
ккал/час (1360 МДж/ч)
рокого распространения из-за большого расхода энергии,
равного, кВт-ч,
N = Q/3600, (5.11)
где Q — теплопроизводительность калорифера, кДж/ч.
Водяные (паровые) калориферы также несложны в
устройстве и могут быть с успехом использованы в ста-
288
1

Рис. 5.10. Схемы подачи теплого воздуха в помещение
а — прямая; б — рециркуляционная; в — смешанная
1 — ОУ; 2 — ВУ; 3 — воздуховод; 4 — всасывающий патрубок; 5 — регулирую¬
щая заслонка. Обозначения воздушных потоков: х — холодный; т — теплый;
п — подогретый
ционарных условиях эксплуатации при наличии горяче¬
го водоснабжения.
Наиболее универсальны и автономны, но в то же вре¬
мя наиболее сложны по устройству огневые калориферы,
работающие на жидком или газообразном топливе (рис.
5.9). Выпускаемые промышленностью для разнообраз¬
ных нужд, они могут быть с успехом использованы й для
отопления воздухоопорных зданий. Например, теплоге¬
нераторами серии ТГ комплектуются здания отечествен¬
ного серийного производства. Ряд зарубежных фирм
производит калориферы специального назначения, обо¬
рудованные системой автоматического контроля и регу¬
лирования.
Возможны три схемы установки калориферов; пря¬
мая, рециркуляционная и смешанная, отличающиеся спо¬
собом забора воздуха, поступающего для нагрева в теп¬
лообменник (рис. 5.10). Прямая схема предусматривает
забор воздуха снаружи и нагрев его до нужной темпе¬
ратуры. При рециркуляционной схеме нагревается не на¬
ружный холодный воздух, а внутренний, что позволяет
сэкономить тепло. Неизбежные утечки приходится ком¬
пенсировать подачей наружного воздуха, что создает хо¬
лодные сквозняки и понижает температуру в помещении.
Наиболее рациональна смешанная схема, где воздух по¬
ступает в нужных пропорциях и снаружи и из помеще¬
ния. Соотношение объемов свежего и рециркулируемого
воздуха может колебаться в пределах от 1:1 до 3:1.
Объемы холодного и охладившегося воздуха регулиру¬
ются автоматически по командам от датчиков темпера¬
туры и давления воздуха. Такие устройства использу¬
ет финская фирма «Рукка», установившая ряд воздухо-
289

опорных зданий в нашей стране, в том числе над тенни¬
сным кортом плавательного бассейна «Чайка» в Москве.
Эффективность частичной рециркуляции по данным
[5.3] сводилась к следующему: температура воздуха на
входном патрубке теплогенератора повышалась на 4,5 а
в рабочей зоне помещения на 3°, потери тепла с уходя¬
щим через неплотности воздухом снизились на 30%!.
При этом давление под оболочкой упало с 200 до 80—
100 Па.
Теплотехнические расчеты для воздухоопорных зда¬
ний довольно сложны и оперируют множеством парамет¬
ров, обоснование которых требует широко и тщательно
поставленных экспериментов. Даже такой показатель,
как коэффициент теплопередачи однослойной воздухо¬
непроницаемой ткани, по данным различных источников,
колеблется от 20 до 30 кДж/(град-м2-ч).
Теплотехничесий расчет, заключающийся в определе¬
нии теплопроизводительности ОУ, сводится к установле¬
нию баланса между расходом и поступлением тепла.
К основным расходным статьям относятся потери тепла
через оболочку и пол, а также утечка нагретого воздуха
из-под оболочки. Методы таких расчетов подробно изло¬
жены в [3.9].
Для ориентировочного подбора теплопроизводительно"
сти ОУ, обеспечивающей перепад температур At=\tBH—
—^нар=Ю°С Р. Брилка [5. 4] предлагает эмпирическую
формулу
Q = 500 F, (5.12)
где Q — теплоцроизводительность ОУ, кДж/ч; F — площадь отапли¬
ваемого помещения, м2.
Более общей, но менее проверенной может быть
формула
Q = $0FAt. (5.13)
В формулах (5.12) и (5.13) теплопроизводитель-
ность Q связана с площадью пола F. Точнее было бы по¬
ставить ее в зависимость от поверхности оболочки, от¬
дающей тепло. Тогда было бы ясно, что одним из путей
экономии топлива может быть снижение высоты здания:
Q = 30S At, (5.14)
где 5 — поверхность оболочки, м2.
Расход жидкого топлива при его теплотворности
290

42 МДж/кг с учетом кпд калорифера 0,85 составляет,
кг/ч:
<7 = Q/36, (5.15)
где Q — теплопрошводительность ОУ, МДж/ч.
Следствием низких теплотехнических показателей
оболочки является большой расход тепла на обогрев
помещения. Пробная эксплуатация воздухоопорного зда¬
ния А-18-Ц (F=864 м2; 5=1217 м2; Е=5768 м3) при
наружной температуре — 55°С показала, что одновре¬
менная работа двух теплогенераторов ТГ-2,5 (Q = 2•
• 1050=2100 МДж/ч) при расходе топлива 50 кг/ч обеспе¬
чивала положительную (2—4°С) температуру в помеще¬
нии. Эти данные мало расходятся с результатами под¬
счетов по формулам (5. 13) и (5. 14) :2462 и 2081 МДж/ч.
Существует несколько путей снижения расхода тепла.
Самый простой и достаточно эффективный — это улуч¬
шение герметизации оболочки. Если для неотапливаемо¬
го помещения задача герметизации не столько сущест¬
венна, то при его отоплении приходится считаться с тем,
что утечки воздуха — это утечки тепла. Сократив их до
уровня, определяемого минимальным воздухообменом,
можно соответственно уменьшить теплопотери.
Более результативен путь утепления оболочки. Под¬
клеивая слой поролона или делая оболочку двухслойной,
можно добиться примерно двухкратного снижения тепло-
потерь (табл. 5.5). Однако поролоновая подклейка в
несколько раз увеличивает объем оболочки в сложенном
виде, существенно снижая ее мобильность. В этом смыс¬
ле более рациональны двухслойные оболочки. Здание
типа «оболочка в оболочке» оказалось весьма эффектив¬
ным не только по своим теплотехническим показателям,
особенно при летнем перегреве, но и по звукоизоляции.
Т а б л и ц а 5.5. Коэффициенты теплопередачи К оболочек
Состав оболочки
к.
кДж/(м2-
•ч-град)
Однослойная из капроновой ткани, покрытой ПВХ
То же, утепленной поролоном толщиной:
2,2„2
5 мм
11.,7
Ш »
Я
20 »
5
Двухслойная из капроновой прорезиненной ткани с
10,9
воздушной прослойкой 50 см
Трехслойная из пленок
5ьЗ
291

Вес, стоимость и транспортный объем при этом увеличи¬
ваются примерно в полтора раза, но потери тепла со¬
кращаются вдвое, равно как и перегрев.
Американская фирма «Эйр-тех» делает оболочки из
двухслойного материала термалайнер (см. рис. 2.21, а).
Наружный слой — найлоновая или дакроновая ткань,
покрытая ПВХ. Внутренняя — из белого винила с от¬
ражающим слоем из полированной алюминиевой фольги.
Оба слоя контактно сварены швами, образующими ром¬
бическую сетку (см. рис. 2.5, б) с воздушными прослой¬
ками в 10—15 см. Стоимость этого материала превышает
обычную на 25—30%. Однако теплопередача через него
уменьшается с 24 до 9 кДж/(м2. ч. град).
Комбинирование нескольких слоев материала с ре¬
гулируемой степенью светопропускания открывает широ¬
кие перспективы использования солнечной энергии не
только для обогрева, но даже и для охлаждения воздуха
под оболочкой. Теоретические основы регулирования
микроклимата пневматических сооружений разрабатыва¬
ли Н. Лаинг [5.9], А. Дитц [5.7], Л. Э. Ларссон
[5. И] и др. Их идеи ждут своего дальнейшего развития
и .реализации.
Известно, что оболочка может быть нагрета солнцем
до 60°, а перегрев1 воздуха под оболочками темных цве¬
тов может доходить до 17°С (рис. 5. И). На первый
взгляд перегрев может показаться злом меньшим, неже¬
ли зимний холод. Однако понизить температуру в поме¬
щении хотя бы на 10° гораздо сложнее, чем на столько
же поднять ее. Поэтому если обогрев помещения срав-
Рис. 5.11. Температурные поля на поверхности оболочки и под ней
(по Н. А. Михеевой)
а — при наружной температуре tH =16° и интенсивности радиации lf =
=2440 кДж/м2-ч; б — при /н = 28° и Iг= 2320 кДж/м2-ч
1 Перегревом принято называть разницу между температурой
воздуха под оболочкой на высоте .1,5 м от пола и наружной темпе¬
ратурой в тени.
292

нительно легко обеспечивается активными средствами
(калориферами), то для охлаждения применяются в
основном пассивные меры. К ним относятся применение
материалов с высоким светоотражением (табл. 5.6) и
низкой светопроницаемостью, использование термоизо¬
лирующих слоев, включая воздушные прослойки.
Таблица 5.6. Коэффициенты светопоглощения и светоотражения
материалов с покрытиями из синтетических каучуков
и полимеров
Коэффициент
Цвет покрытия
Материал покрытия
поглощения
отражения
Черный
ПВХ
7
93|
Темно-зеленый
Каучук
15.—16
85
Грязно-желтый
Полиуретан
20—23,
77—80
Зеленый
Каучук
25
751
Серый
хспэ
27
73)
Салатный
Каучук
со
1
63—68
Светло-серый
ХСПЭ
4i0|—45
55—60
Белый
ПВХ
40—65
35)—60
Алюминиевый
Каучук, ХСПЭ
50—66
34—60
Специальными исследованиями [3.9] установлено,
что перегрев воздуха под светлыми оболочками пример¬
но вдвое меньше, чем под черными, а введение второй
оболочки с воздушным промежутком 50 см или подклей¬
кой 15 мм поролоновой изоляции снижает перегрев на
20—30%.
Наиболее простым и естественным способом борьбы
с перегревом воздуха под оболочкой можно считать ин¬
тенсивную вентиляцию (гипервентиляцию). Она позво¬
ляет уменьшить перегрев в 3—4 раза. Однако сколь бы
интенсивной она ни была, температура в помещении не
может опуститься ниже температуры наружного воздуха.
К активным средствам понижения температуры воз¬
духа под оболочкой следует отнести наружное орошение
поверхности оболочки водой и кондиционирование пода¬
ваемого воздуха. Эксперименты с оболочками размерами
24X12X6 м [5.3] показали, что садовые разбрызгива¬
тели, установленные вдоль оси здания через 4—6 м и
расходующие 1,5—2 м3 воды в час, понижали темпера¬
туру внутри оболочки на 4—7° против наружной темпе¬
ратуры (рис. 5.12). Охлаждение воздуха под оболочкой
на 3° по данным [5. 17] достигалось при расходе воды
293

Рис. 5.12. Эффект понижения температуры под оболочкой при оро¬
шении ее наружной поверхности
Температура воздуха: 1 — наружного; 2 — под оболочкой; а — периоды оро¬
шения; б — периоды высыхания
с температурой не выше 12° в 3—4 м3/ч на каждые
1000 м2 поверхности оболочки. Оросительные системы в
виде мягких пластмассовых трубок с множеством мел¬
ких отверстий включаются в комплектующее оборудова¬
ние некоторых зарубежных воздухоопорных зданий. Фир¬
ма «Барракуда», например, смонтировала такую систе¬
му на своей первой оболочке в ЦПКиО (Москва, 1971 г.).
В Италии широко применяется система охлаждения воз¬
духа в воздухоопорных зданиях, разработанная фирмой
«Пластеко Милано». Фирма считает, что воздух охлаж¬
дается на 5—6°. В обследованном нами павильоне раз¬
мерами 150X50X12 м '[5.2] охлаждение воздуха под
оболочкой достигалось 252 водяными фонтанчиками,
равномерно распределенными по поверхности (рис. 5.13).
В летний безоблачный день при температуре наружного
воздуха 28°С существенной разницы между температура¬
ми воздуха под оболочкой и снаружи отмечено не было.
Можно считать, что такое мероприятие сводит на нет
инсоляционный перегрев воздуха в помещении.
294

б
Рис. 5.13. Система орошения поверхности оболочки с помощью фон¬
танчиков
а — общая схема системы; б — деталь устройства фонтанчика 1 — оболочка;
2 — оросительные фонтанчики; 3 — питающий бассейн; 4 — водяной насос;
5 — полиэтиленовые разводящие трубки; 6 — водосборная канавка
Кондиционеры — оборудование дорогое и громозд¬
кое — могут быть использованы лишь для стационарных
сооружений, особенно при соединении мягкой оболочки с
капитальным зданием, где установка кондиционеров не
вызывает трудностей, а удельный вес их в общей стои¬
мости строительства невелик. Кондиционером простей¬
шего типа можно считать несложное приспособление для
увлажнения воздуха, подаваемого под оболочку. При
подаче воды на рабочее колесо вентилятора она распы¬
ляется и испаряется, в результате чего охлаждение воз¬
духа может быть ощутимым.
Рис. 5.14. Этапы ремонта углового разрыва оболочки
а — прокалывание отверстий; 6 — шнуровка; в — наложение заплаты
295

5.5. РЕМОНТ ОБОЛОЧКИ
Любое повреждение оболочки приводит к концентра¬
ции напряжений материала в месте разрыва. Поэтому,
во избежание прогрессирующего раздира, повреждения
следует незамедлительно исправлять. Такие серьезные
повреждения оболочки, как длинные разрывы, приводя¬
щие к полному выходу здания из строя, требуют ее ка¬
питального ремонта. В этих случаях часто имеет смысл
разодрать оболочку до конца, демонтировать ее, а затем,
наложив разорванные края один на другой, соединить их
заводским швом. Оболочка станет короче на 40—60 мм,
что не отразит на последующем монтаже.
Чаще приходится иметь дело с мелкими повреждени¬
ями полотнищ, возникающими в процессе транспортиро¬
вания, монтажа, демонтажа и эксплуатации. Бывают, к
сожалению, и случаи бессмысленных проколов и проре¬
зов оболочек, «акты вандализма», как их называют за
рубежом. Мелкий ремонт разрывов или порезов, разме¬
ры которых не вызывают существенных потерь воздуха,
выполняют на месте, не прекращая функционирования
здания. Чтобы ослабить натяжение материала, снижают
давление воздуха под оболочкой примерно до 50—100
Па (хотя бы приоткрыв обе двери шлюза), затем вдоль
разрыва прокалывают (шилом, крестовой отверткой,
лучше — стержневым паяльником) ряд отверстий с ша¬
гом 50—75 мм (рис. 5. 14,а) и стягивают края разрыва
двойной шнуровкой мягким проводом с поливиниловой
изоляцией (рис. 5.14,6). Последний этап — наложение
заплаты (рис. 5.14, в) сначала на внутренней, потом на
наружной стороне оболочки. Заплата должна быть на¬
клеена тем клеем, который соответствует природе пок¬
рытия оболочки. Нужный клей, как и запас материала,
входит в ремонтный комплект здания.
Местные, точечные проколы шнуровки не требуют.
Можно ограничиться наложением заплат.
Когда размеры разрыва настолько велики, что натя¬
жение оболочки не позволяет стянуть его края шнуров¬
кой, приходится выключать вентиляторы, под повреж¬
денное место опускающейся оболочки подставлять ка¬
кую-нибудь раму и производить шнуровку, находясь под
спущенной оболочкой. Так же поступают в тех случаях,
когда разрыв оказывается на недоступной высоте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К главе 1
1.1. Беспалов В. В. Сжатый воздух строит оболочки. — Строи¬
тельство и архитектура Москвы, 1977, № 3.
1.2. Богушевич Е. Н., Степанов И. В. Временные здания и со¬
оружения в строительстве. М., Стройиздат, 1970.
1.3. Вознесенский С. Б. Поиск форм пневматических конструк¬
ций. — В кн.: Архитектурная форма и научно-технический прогресс.
М., Стройиздат, 1975.
1.4. Вознесенский С. Б., Ермолов В. В. Проектирование пневма¬
тических конструкций в СССР и за рубежом. М., ЦИНИС, 1975.
1.5. Искандеров И. Н., Вознесенский С. Б. Склад из пневмокон¬
струкций— Пром. транспорт, 1976, № 7.
1.6. Линк М. К. Окна в море. Л., Судостроение, 1978.
1.7. Михайлов Б. А. и др. Пневмосооружения на строительстве.
М., Транспорт, 1977.
1.8. Покровский Г. И. Тонкие пленки. — Техника молодежи, 1936,
№ 2—3.
1.9. Фионичев В. Ледяной дом. — Техника и наука, 1978, № 5.
1.10. Шрута О. Воздухоопорные конструкции, применяемые в
ЧССР./Интерстройинформация, 1970, № 4.
1.11. Щур В. Ф., Вознесенский С. Б. Анализ технологии изготов¬
ления воздухоопорных оболочек А-18-Ц. — Сборник тезисов докладов
республиканского семинара по применению мягких оболочек в водо¬
хозяйственном строительстве. Новочеркасск, 1976.
1.12. Air — supported structures on the rise. «World Construction»,
1973, No 9.
1.13. Air — Tech Industries, Inc. Air inflated structures. Price
list.
1.14. Dent R. Principles of pneumatic architecture. London, 1971.
1.15. Geiger D. N. Largest and lightest fabric roof to date. «Civil
Engineering», 1975, No 11.
1.16. Isono Y. The development of pneumatic structures in Japan.
ISPS.
1.17. Krupp Traglufthallen. Auszug aus der Kundenliste.
1.18. Lanchester F. W. Span. Transaction of the Manchester Asso¬
ciation of Engineers, 1938.
1.19. Montero J., Pohl J. The multy — enclosure air — supported
dwelling. WCSE.
1.20. Murata Y. Pneumatics within pneumatics. «Domus», 1973,
No 523.
1.21. Rasch B., Stevens G. Pneumatic report of the Delft Symposi¬
um. «Architectural Design», 1973, No 1.
1.22. Reitmeier G. F. Engineering design criteria. «Building Rese¬
arch», 1972, Jan/March.
1.23. Stanley R. GGlockner P. G. The use of reinforced ice in
constructing temporary enclosures. Marine Science Communications,
vol. 1, No 6, 1975.
1.24. Stenuit R. The deepest days. «National Geographic», 1965,
No 4.
1.25. Saechtling G., Bauen mit Kunslstoffen. Miinchen, 1973.
297

К главе 2
2.1. Ермолов В. В. Проблема воздухоопорных оболочек боль¬
ших пролетов.— В кн.: Пространственные конструкции зданий и со¬
оружений, вып. 3, М., Стройиздат, 1977.
2.2. Квормби А. Архитектор и пластмассы. М., Стройиздат, 1978.
2.3. Ковда В. А., Кунин В. Я. Контролируемая среда —для ос¬
воения пустынь. — Природа, 1970, № 8.
2.4. Михайленко В. Е., Ковалев С. Я. Конструирование форм
современных архитектурных сооружений. Киев. Буд1вельник, 1978.
2.5. Охотников А. А., Анцыгин Ю, Г. Пневматические сооруже¬
ния— животноводству. — Сельское хозяйство России, 1974, № 6.
2.6. Петраков Б. И. Бетонирование конструкций с использованием
пневмоопалубки. М., Стройиздат, 1974.
2.7. Поляков В. С. Теоретическое и экспериментальное иссле¬
дование одноосных воздухоопорных сооружений больших пролетов.
Диссертация на соискание учен, степени канд. техн. наук. М., 1974
(МНИТ).
2.8. Baba Т. Variability of pneumatic structure. PSTSSF.
2.9. Bauen mit Textilmembranen. Krupp Universalbau, 1975.
2.10. Botschuiver T., Shaw J. Eventstructures. ISPS.
2.11. Drinhausen Я. Das Dach von Marl. Leverkusen, 1974.
2.12. Finsterwalder S. Mechanische Beziehungen bei der Flachen —
deformation. Jahresb. Deutsch. Math. Vereinigung. 1899. Bd. 6, H. 2.
2.13. Ishii K. An approach to structural design of pneumatic stru¬
cture. ISASS.
2.14. Kawaguchi M. The shallowest possible pneumatic forms.
Bulletin of the IASS, n. 63, v. XVIII—1, 1979
2.15. Linecker J. Mehrschichtige Membrankonstructionen zur Ener-
gieeisparung und — gewinnung. In: Membrankonstuktionen. Koln —
Braunsfeld, 1979
2.16. New developments in the use of inflatable forms for the con¬
struction of shells. «Indian Concrete Journal», 1973, v. 47, No 12.
2.17. Pohl J., Montero J. The multy — storey air — supported gre¬
en — house — a feasibility study. «Architectural Science Review», 1975,
v. 18, No 3.
2.18. Project study city in the Arctic. IL—2, 1971.
2.19. Reitmeier G. F., Punett M. B. Design development in large
cabled structures. ISPS.
2.20. Soft shell structures. Taiyo Kogyo Co Ltd, 1974.
2.21. Strutture in cemento armato a formazione pneumatica. «La
Prefabricazione», 1970, No 4.
К главе 3
3.1. Бирюкова T. П. Соединения в мягких ограждениях тенто¬
вых сооружений. Диссертация на соискание учен, степени канд. техн.
наук. М., 1975 (МИСИ им. В. В. Куйбышева).
3.2. Гогешвили А. А. Пневматические конструкции в сельском хо¬
зяйстве. Обзор. М., ЦНИИЭПсельстрой, 1969.
3.3. Гуль В. Е. Полимерные пленочные материалы. М., Знание,
1972.
3.4. А. С. 326340 (СССР). Пневматическое сооружение / В. В. Ер¬
молов. — Заявл. 20/VII —1970, № 1461996; опубл. в БИ, 1972, № 4.
3.5. Ермолов В. В. Полимерные материалы для мягких оболочек.
— Пластические массы, 1974, № 11.
298

3.6. Иродов М. Д. Применение винтовых свай в строительстве.
М., Стройиздат, 1968.
3.7. Китайский В. В. Проектирование баллонно-такелажных кон¬
струкций и оборудования оболочек воздухоплавательных судов. —
ОНТИ НКТП, 1936.
3.8. Новое в технологии трехслойных конструкций с примене¬
нием пластмасс. / Под ред. А. Б. Губенко. М., Стройиздат, 1972.
3.9. Пневматические конструкции воздухоопорного типа. / Под
ред. В. В. Ермолова. М., Стройиздат, 1973.
3.10. Покровский Г. И. Электронная пушка и пневматическая ар¬
хитектура. — Техника— молодежи, 1964, № 3.
3.11. Прокофьев В. М. и др. Пневматические конструкции. Тема¬
тический обзор / ЦНИИТЭнефтехим. М., 1971.
3.12. Прокофьев В. М., Смирнов А. М., Шпаков В. П. Экспери¬
ментальные исследования прочности прошитых швов резино-тканевых
баллонных конструкций. — Каучук и резина, 1966, № 8.
3.13. Прочность и деформативность конструкций с применением
пластмасс. / Под ред. А. Б. Губенко. М., Стройиздат, 1966.
3.14. Рекомендации по проектированию и расчету конструкций
с применением пластмасс. / ЦНИИСК, 1969.
3.15. Смирнов А. М. Методы раскроя сферических резино-ткане¬
вых оболочек и критерий приближения формы. — Производство шин,
резинотехнических и асбесто-технических изделий, 1973, № 10.
3.16. СНиП П-15-74. Основания зданий и сооружений.
3.17. А. с. 303399 (СССР). Пневматическое сооружение типа
склада, гаража и т. д./Ю. И. Хрущев. — Заявл. З/Х-1969 г.,
№ 1366503; опубл. в БИ, 1971, № 16.
3.18. Шпаков В. П. Исследования соединений пневматических
конструкций. Диссертация на соискание учен, степени канд. техн.
наук, 1977 (ЦНИИСК им. Кучеренко).
3.19. Шпаков В. Я. Исследование прочности швов пневматичес¬
ких резино-тканевых конструкций. — ЛМО, 1970, вып. 13.
3.20. Шпаков В. Я. Некоторые результаты исследования матери¬
алов и швов, применяемых при производстве мягких оболочек. ТМО
3.21. Bulson Р. S. Design principles of pneumatic structures. «The
structural engineer», 1973, No 6.
3.22. Dietz A. G. H. Plastics for architects and builders. Cambrid¬
ge, 1969.
3.23. Dolling J. CBlackmore R. W., Kindermann W. J. The me¬
chanical design of the horn — reflector antenna and radome. The Bell
System Technical Journal. 1963, July.
3.24. Enka Glanzstoff. Industrial fibers of Enka Glanzstoff. In¬
formation, 1977.
3.25. Firt V. Determining the shape of air — supported structures
and their inlet openings. International Symposium «Wide span surface
structures». Stuttgart, 1976.
3.26. Freizeithaus mit wandelbaren Luftkissendach. «Bauingenieur»,
1975, No 3.
3.27. Fritzsche E. Strain measurements on industrial fabrics for
pneumatic structures. ICPS.
3.28. Geiger D. N. Developments in incombustible fabrics and low
profile air structures including thouse with thermally active rorfs.
WCSE.
3.29. Geiger D. H., Majowiecki M. Structures pneumatiques de
grande portee, renforcees par des cables en acier. Acier-Stahl-Steel,
1977, No 9
299

3.30. Ishii К. On developing of curved surfaces of pneumatic stru¬
ctures. ISPS.
3.31. Isono, Y. The development of pneumatic structures in Japan.
ISPS.
3.32. Laing N. The use of solar and sky radiation for air — conditi¬
oning of pneumatic structures. ICPS.
3.33. Lundy V. Architectural and sculptural aspects of pneumatic
structures. ICPS.
3.34. Price C., Newby F. Air structures. A survey. London. 1971.
3.35. Plasteco Milano. Come all’aperto nei solarium trasparenti per
piscine. 1977
3.36. Riihle H. Raumliche Dachtragwerke. Bd. 2. Berlin, 1970.
3.37. Schimamura S., Takeuchi 0. Mechanical behaviour of selected
fabrics used in membrane structures in Japan. PSTSSF.
3.38. Scanhover. Norwegian air — supported structures for tough
climates. 1978
К главе 4
4.1. Алексеев С. А. Мягкие нерастяжимые оболочки. — Сборник
докладов научно-технической конференции по расчету гибких пла¬
стин и оболочек / ВВА им. Н. Е. Жуковского. М., 1952.
4.2. Алексеев С. А. Основы теории мягких осесимметричных обо¬
лочек.— РПК, 1965, вып. X.
4.3. Алексеев С. А. Основы общей теории мягких оболочек. —
РПК, 1966, вып. XI.
4.4. Алексеев С. А., Голованов Е. В., Смирнов А. М. Эксперимен¬
тальное исследование нагрузок на сферические оболочки, создаваемых
воздушным потоком. — РПК, 1970, вып. XIII.
4.5. Балабух Л. И., Усюкин В. И. Техническая теория мягких
оболочек. — Труды/VIII Всесоюзная конференция по теории оболо¬
чек и пластин, 1971.
4.6. Борсов Р. Г. Исследование напряженно деформированного
состояния конструкций из мягких оболочек разностными методами.
Диссертация на соискание учен, степени канд. техн. наук. М., 1976
(МВТУ им. Н. Э. Баумана).
4.7. Временная инструкция по проектированию, монтажу и эк¬
сплуатации воздухоопорных пневматических сооружений. СН 497-
77, М., Стройиздат, 1978.
4.8. Гениев Г. А. Некоторые задачи расчета пневмоконструкций
из мягких материалов. — В сб.: Исследования по строительной меха¬
нике, вып. V. М., Госстройиздат, 1966.
4.9. Гениев Г. А. К вопросу расчета пневмоконструкций из мяг¬
ких материалов. — В кн.: Исследования по вопросу расчета оболочек,
стержневых и массивных конструкций. М., Стройиздат, 1963.
4.10. Гогешвили А. А., Ярин Л. И. Расчет на ветровую нагрузку
воздухоопорного цилиндрического свода. — СМРС, 1971, № 2.
4.11. Григорьев А. С., Трушина В. М. Некоторые основные воп¬
росы теории мягких оболочек. — ТМО.
4.12. Григорьев П. и др. Расчет пневмоопорного покрытия пром-
здания. — На стройках России, 1976, № 12.
4.13. Ермолов В. В. Деформации цилиндрической пневматиче¬
ской оболочки под действием ветровой нагрузки.— СМРС, 1969,
№ 6.
4.14. Ермолов В. В. Приближенный расчет цилиндрических пнев¬
мооболочек воздухоопорного типа с кольцевыми разгружающими
канатами. — СМРКС, вып. 3, 1971.
300

4.15. Ермолов В. В. Деформации цилиндрической пневмооболоч¬
ки при нагрузке, распределенной вдоль образующей. — СМРКС, вып.
4, 1972.
4.16. Инструкция по проектированию железобетонных тонкостен¬
ных пространственных покрытий и перекрытий. М., Госстройиздат,
1961.
4.17. Кислоокий В. Н. Исследование статики и динамики вися¬
чих, пневмонапряженных и комбинированных систем методом конеч
ных элементов. — СМРС, 1977, JV° 4.
4.18. Кононенко П. И. Исследование напряженно-деформирован¬
ного состояния мягких анизотропных сферических оболочек в по¬
токе воздуха. Диссертация на соискание учен, степени канд. техн.
наук. М., 1975 (ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко).
4.19. Лебединский Н. А. Графический метод решения задач о
равновесии пневмооболочек. — СМРС, 1964, № 4.
4.20. Магула В. Э. К расчету цилиндрических пневмооболочек
на ветровую нагрузку. В кн.: Исследования по теории сооружений,
вып. XIX, М., Стройиздат, 1972.
4.21. Магула В. Э. Особенности постановки задач в теории мяг¬
ких оболочек. —ТМО.
4.22. Мешкуров В. А. Расчет воздухоопорной цилиндрической
оболочки, усиленной кольцевыми вантами. — РИ-VIII, вып. 10, 1977.
4.23. Морозов Ю. А. Об изгибе пневмобалок из нелинейно-уп¬
ругих материалов. — СМРКС, вып. 4, 1972.
4.24. Морозов Ю. А. О расчете пневмобалок из нелинейно-упру¬
гих материалов после образования поперечных складок при изгибе. —
СМРКС, вып. 5, 1976.
4.25. Наумов В. А., Стрекозов Н. П., Харченко В. И. Деформация
сферической пневмооболочки при нагружении внешним давлением. —
Труды / Республиканский семинар по применению мягких оболочек
в водохозяйственном строительстве. Новочеркасск, 1978.
4.26. Никиреев В. М., Даниляк И. А. Расчет мягкой сферической
оболочки на ветровую нагрузку. — ТМО.
4.27. Никулин В. И. Действие ветровой нагрузки на воздухо¬
опорные сферические оболочки. — ЛМО, вып. 12, 1970.
4.28. Отто Ф., Тростель Р. Пневматические строительные кон¬
струкции. М., Стройиздат, 1967.
4.29. Петраков Б. И. Натяжение в цилиндрической пневмообо¬
лочке.— СМРС, 1968, № 2.
4.30. Поляков В. П., Бейлин Д. А. Экспериментальное исследо¬
вание ветрового давления на мягкую ортотропную оболочку сфе¬
рической формы.— ЛМО, вып. 35, 1977.
4.31. Поляков В. П. Взаимодействие модели мягкой воздухоопор¬
ной оболочки с потоком воздуха. — ТМО.
4.32. Работное Ю. Н. Некоторые решения безмоментной теории
оболочек. — ПММ, т. 10, вып. 5—6, 1946.
4.33. Ржаницын А. Р. К вопросу о расчете мягких нерастяжимых
оболочек вращения на гидростатическую нагрузку. — Труды / ВВА
им. Н. Е. Жуковского, 1952.
4.34. Росс Э. У. Большие прогибы надувного цилиндрического
покрытия. — Труды / Американское об-во инженеров-механиков,
1969, № 4.
4.35. Смирнов А. М. Исследование напряжений в мягкой сфери¬
ческой оболочке-укрытии в потоке воздуха. — Диссертация на соиск.
ученой степени канд. техн. наук. М., 1970 (МВТУ им. Н Э. Бау¬
мана).
301

4.36. Смирнов А. М. К расчету мягких оболочек на произволь
ную нагружу. — РПК, вып. XIV. М., Стройиздат, 1971.
4.37. Усюкин В. И. Техническая теория мягких оболочек. Дис
сертация на соиск. учен, степени д-ра техн. наук. Москва, 197
(МВТУ им. Н. Э. Баумана).
4.38. Усюкин В. И. Об уравнениях теории больших деформацш
мягких оболочек. — Изв. АН СССР, МТТ, 1976, № 1.
4.39. Усюкин В. И. и др. Расчет пневматических строительны;
конструкций с использованием ЭВМ. В кн.: Доклады международ
ной конференции ИАСС в Алма-Ате. М., Стройиздат, 1977.
4.40. Усюкин В. И., Терещенко В. А., Борсов Р. Г. Разностньг
методы решения двухмерных задач статики мягких оболочек. — РПК
1979, вып. XVIII.
4.41. Хуберян К. М. Решение нелинейной задачи о двухосно»
напряженном и деформированном состоянии пологой растяжимо]
воздухоопорной мягкой оболочки двоякой кривизны. Шестая Даль
невосточная конференция по мягким оболочкам. Владивосток, 1979
4.42. Ярин JI. И. Пневматические зонтичные купола. — Трудь
/ ЦНИИПромзданий, 1964, вып. 1.
4.43. Air supported structures. Draft for development. Britich Stan
dard Institution. 1976.
4.44. Beger G., Macher E. Results of wind tunnel tests on some
pneumatic structures. ICPS.
4.45. Eggers H. Standsicherheitsnachweis einfacher Traglufthallen
Internationales Symposium Weitgespannte Flachentragwerke. Stuttgart
1976.
4.46. Harnach R., Hartmann B., Niemann H. — J. Stresses anc
deformations of pneumatic structures under wind load, and interna
pressure. Proceedings of IASS Working Group of pneumatic structures
Morgantown, USA, 1978.
4.47. Haug E. Finite element analysis of pneumatic structures.
ISPS
4.48. Herzog T. Pneumatische Konstruktionen, Stuttgart, 1976
4.49. Kaltenbach L. Une structure gonflable de 100 m de portee
a usille de cables. ISPS.
4.50. Li C. — T., Leonard J. W. Finite element analysis of inflatab¬
le shells. ASCE 1973, No EM 3.
4.51. Li C. — T., Srivastava N. Analysis of pneumatic shells with or
without cable net general finite element formulation. «Computers and
Constructions», 1974, vol. 4 August.
4.52. Macher F. G. Wind loads on basic dome shapes. ASCE. June
1965, No ST 3.
4.53. Minimum performance standard for single — wall air suppor¬
ted structures, CPAI. St. Paul, USA, 1971.
4.54. Niemann H.—J. Wind tunnel experiments on aeroelastic mo¬
dels of air — supported structures. ISPS.
4.55. Nolker A. Windkanalversuche an Modellen von Traglufthallen.
ISPS.
4.56. Oden J. T., Kubitza W. K. Numerical analysis of nonlinear
pneumatic structures. ICPS.
4.57. Petersen Ch. Zur Sichercheit von Traglufthallen. «Bauingeni-
eur», 1975, H.4.
4.58. Pneumatic Structures Design Standard and Commentary.
Tokyo, 1970.
4.59. Riihle H. Development of design and construction in pneuma¬
tic structures. ICPS.
302

I
4.60. TGL 20167. Lastannahmen fur Bauten.
4.61. Uemura M. Membrane tension and deformation in cylindrical
pneumatic structures subject to wind loads. PSTSSF.
4.62. Yermolov V. V. On methods of determining a cylindrical
shell’s profile deformed by wind action. ISASS.
К главе 5
5.1. Андриенко E. Г., Дымкова Т. М. Воздухопроницаемость
строчных швов в тканевых пневмооболочках. — РИ-VIII, вып. 3,
1977.
5.2. Ермолов В. В. Воздухоопорный выставочный павильон пло¬
щадью 0,75 га. —РИ-VIII, вып. I, 1978.
5.3. Петровнин М. И., Маралов А. В. Из опыта эксплуатации
комбинированного пневматического сооружения. — Пром. стр-во,
1975, № 11.
5.4. Brylka R. Traglufthallen heute. Techn. Mitt. Krupp-Werksberi-
chte. Bd. 28. 1970, H. 2.
5.5. «Building», 1971, v. 220, No 693.
5.6. Damages to air supported halls. ILinfo 18. Stuttgart, 1975.
5.7. Dietz A. G. H. SQlar energy for air — supported buildings
ISPS.
5.8. Gerber R., Kaden H. Brandversuche in Traglufthallen. «Bauze-
itung», 1966, N 5.
5.9. Laing N. The use of solar and sky radiation for air conditi¬
oning of pneumatic structures. ICPS.
5.10. Larson G. Hall buildings in the form of plastic balloons. «Bra-
ndskydd». 1963. 44(6).
5.11. Larsson L. —E. Heat insullation of air — supported structu¬
res. ISASS.
5.12. Malhotra H. L. Fire behaviour of single skin air — suppor¬
ted structures. ISPS.
5.13. Morris W. A., Malhotra H. L. Air — supported structures — are
they a fire hazard? ISASS.
5.14. Report of the fire tests in a large scale air membrane structure.
Taiyo Kogyo technical report. Tokyo, 1971.
5.15. Schulz R. Fire tests on an air — supported structures. ICPS.
5.16. Srivastava N. K., Handa V. K., Critchley S. Failures of
air — supported structures. ISASS.
5.17. Traglufthallen System AROVA. «Schweizarische Bauzeitung»
2 Sept. 1965. H.35.
Сокращения
N
CMPC — Стр. механика и расчет сооружений.
СМРКС — Строительная механика, расчет и конструирование соору¬
жений. Труды / Моек, архит. ин-т.
ЛМО — Сообщения Дальневосточного высшего инженерного мор¬
ского училища / Лаб. мягких оболочек.
РПК — Расчет пространственных конструкций.
ТМО — В кн.: Теория мягких оболочек и их использование в на¬
родном хозяйстве. Ростов / Д 1976
РИ-VIII —Реф. информ. Сер. VIII/ЦИНИС.
ICPS— International colloquium on pneumatic structures. Stuttgart.
ISPS — International sumposium on pneumatic structures Delft
1972.
303

ISASS — International symposium on air — supported structures. Ve¬
nice, 1977.
PSTSSF — Pacific symposium on tension structures and space frames.
Tokyo and Kyoto, 1971.
WCSE — World congress on space enclosures. Montreal, 1976.
IL — Institut fur leichte Flachentragwerke. Stuttgart.
ASCE — Proceedings of the American Society of Civil Engineers.
В книге приведены репродукции фотографий пневматических конструкций,
изготовленных или спроектированных следующими зарубежными фирмами
или специалистами: Air—Tech Industries: 1.5а, 1.16 в, г; 2.5 б, 3.46 а, 3.49 6,
Barracudaverken: 3.38. Birdair Structures: 1,3 в: 1.8, 1.9а, 1.13 6, 2.Юг, 2,25а,
2.4Са, б; 3.13 6; 3.50. Brugge: Н. 2.7 в.; Bulson Р. S.: 1.12 а. BiittnerO., Нат¬
ре Е.: 1.2 в. Cidair Structures: 2.7. а, б; 4.25. Educational Facilities Labora¬
tories: 2.17 в, г. Environmental Structures: 2.17 a. Eventstructure Research
Croup: 1.16. 2.346. Geiger Berger Ass.: 2.10a—r: 3.50. Goodyear Aerospace Cor¬
poration: 1.2r, 2.176. Graboplast: 1.116 Krupp Universalbau: 2.27a, 6; 2.30a, 6;
2.35 6, r: LIN International: 3.47 д. Minke G.: 1. 10b, 2.38, 3.31 в. Ogawa
Tent: 2.32a, 6; 2.40r. Otto F.: 1.36. Plasteco Milano: 3.47a. Prada J.—M.:
1.10г. Raven Industries: 1.9r. Rukka Products: 1.126, 1.16a, 6: 5.16. Scanhover:
3.26a. Schjeldahl: 2.7r. Stromeyer: 2.256. Taiyo Kogyo: 1.12г, 2.5г, 2.32a, г;
2.39a, 2.40b, 2.41a. Toray Industries: 2.29a. VEB Textil — und Beschichtungs-
kombinat Neugersdorf: 1.9b, 1.11a. Walter Kidde Со.: 1.12в.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 6
Глава 1. Пневматические кон¬
струкции воздухоопорного типа 16
1.1. Краткий исторический
очерк 16
1.2. Разновидности пневмати¬
ческих оболочек .... 23
1.3. Особенности воздухоопор-
ньщ зданий и сооружений 31
1.4. Область применения. Эко¬
номика 42
Глава 2. Формы и конструкции
воздухоопорных зданий ... 50
2.1. Формообразование оболо¬
чек 50
2.2. Оболочки, усиленные ка¬
натами и сетями .... 61
2.3. Многоопорные оболочки . 75
2.4. Двухслойные оболочки . 83
2.5. Линзовидные оболочки
(пневмоподушки) ... 88
2.6. Трансформирующиеся обо¬
лочки 98
2.7. Многоэтажные воздухо¬
опорные здания .... 103
2.8. Оболочки сложных форм 105
2.9. Архитектура воздухоопор¬
ных зданий 109
2.10. Перспективы развития
пневматических сооруже¬
ний 119
Глава 3. Конструкция оболочек 127
3.1. Материалы оболочек . . 127
3.2. Раскрои оболочек ... 140
3.3. Соединение отдельных по¬
лотнищ и монтажных, сек¬
ций 150
3.4. Опорный контур и анкера 163
3^5. Ворота, двери, шлюзы,
люки 173
1.6. Вырезы и присоединения 191
3.7. Освещение и акустика . 198
Глава 4. Расчет оболочек воз¬
духоопорных зданий .... 206
4.1. Сведения из теории по¬
верхностей 206
4.2. Общие положения и гипо¬
тезы 208
4.3. Напряженно - деформиро¬
ванное состояние мягких
оболочек 212
4.4. Техническая теория мяг¬
ких оболочек 215
4.5. Безмоментная линейная
(элементарная) теория
мягких оболочек .... 219
4.6. Расчетные нагрузки . . 242
Глава 5. Монтаж и эксплуата¬
ция 258
5.1. Монтаж, демонтаж, транс¬
порт 258
5.2. Обеспечение функциони¬
рования 263
5.3.. Безопасность и надеж¬
ность 273
5.4. Микроклимат под оболоч¬
кой 286
5.5. Ремонт оболочки . . . 296
Список литературы .... 297