ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В ЧССР
Первые пневматические конструкции в ЧССР были изготовлены в 1962 г. из импрегнированного материала, который в то время употреблялся для пошива дождевых плащей. Из этого материала был выполнен небольшой купол диаметром 6 м. Примерно в то же время из хлопчатобумажной парусины была изготовлена пневматическая палатка диаметром 3 м. Обе конструкции тогда привлекли к себе внимание. На основе наблюдений за обеими конструкциями и опыта их эксплуатации, а также данных зарубежной литературы были изготовлены первые натурные пневматические сооружения, которые в то время использовались в качестве складских помещений. Однако вскоре выяснилось, что у них есть ряд серьезных недостатков, в связи с чем они требуют более пристального внимания и серьезного изучения. С этой целью была разработана программа комплексного исследования пневматических конструкций в ЧССР и начались работы по ее реализации. Отдельные результаты исследования проверялись непосредственно на практике как при строительстве новых объектов, так и в процессе ввода этих объектов в эксплуатацию. Таким образом удалось достигнуть более эффективного повышения их качества. Объекты, создаваемые в ЧССР, могли успешно соперничать с конструкциями, которые на основе многолетнего опыта создавались в ряде других стран.
В начале 70-х годов объем исследований пневматических строительных конструкций в ЧССР существенно сократился, и работы в этой области не были доведены до конца. Тем не менее производство самих конструкций прекращено не было и сейчас оно успешно продолжается.
В настоящее время в ЧССР изготавливается два вида пневматических строительных конструкций. Это, в первую очередь, оболочки, поддерживаемые стальными трубчатыми арками пролетом 18,3 м с шагом 9 м. Стальные арки были впоследствии заменены пневматическими, использование которых вызвало ряд затруднений. Сооружения второго типа — воздухоопорные — изготавливают пролетом 18 м и длиной 30; 42 и 54 м, а также пролетом 21 м при длине 33, 45 и 57 м. В 1979 г. был построен прототип воздухоопорного здания пролетом 45 м при длине 75 м, который в г. Карвине эксплуатируется в качестве конно-спортивного манежа.
Основным поставщиком пневматических строительных конструкций в ЧССР является народное предприятие «Технолен» в г. Свитави. «Технолен» — всемирно известное предприятие, изготавливающее туристские палатки. Поэтому именно здесь удалось в кратчайшие сроки освоить производство пневматических строительных конструкций. Предприятие выпускает сто пневматических сооружений в год, которые хорошо зарекомендовали себя всюду, где они используются по назначению и где им обеспечен надлежащий технический уход. Половина из них служит в качестве складских помещений для хранения сырья, незавершенной продукции, готовых изделий, упаковочных материалов и др. Они применяются и при комплектации изделий, в упаковочных цехах и при перевозке. В строительстве эти конструкции используют не только как склады материалов и изделий, но и как укрытия стройплощадок, а также при изготовлении строительных изделий для монтажа пространственных конструкций и т. п.
Примерно 35 % пневматических конструкций применяется в качестве 1 покрытий спортивных сооружений (залы, плавательные бассейны, теннисные корты, конно-спортивные манежи и т. д.). Более 10 лет используется воздухоопорное здание размером 18Х х54 м в качестве школьного спортзала в Готвальдове. Оно имеет искусственное освещение и систему обогрева. Со зданием школы этот зал соединяется застекленным коридором (рис. 1 и 2).
В 1971 г. такое же воздухоопорное здание было смонтировано в Братиславе над плавательным бассейном. Зал непосредственно соединяется с раздевальнями, которые построены из кирпича. В зимнее время зал отапливается (рис. 3).
Для монтажа и комплектации пространственных секций по системе «Вариел» в 1978 г. в Праге было введено в эксплуатацию воздухоопорное сооружение тех же размеров, что и предыдущие. Для увеличения высоты помещения в свету оболочка была смонтирована на железобетонном фундаменте. Так же монтировался и входной шлюз.
В Тренчине построено пневмоарочное сооружение пролетом 9 и длиной 30 м, которое служит складом древесных стройматериалов. Сооружение тех же размеров возведено также в Брно и используется зимой при производстве железобетонных изделий. Здесь экономическая эффективность объекта наиболее очевидна. Оба описанных объекта имеют несущую систему в виде пневматических арок, которыми в настоящее время заменяются арки из стальных труб.
Для некоторых других целей было изготовлено несколько специальных сооружений с пневматическим каркасом (рис. 4—6), а также воздухоопорных (рис. 7).
Развитие пневматических строительных конструкций в ЧССР стало возможным благодаря освоению производства высокопрочного полиамидного волокна. Из него можно изготовлять легкие и прочные ткани, которые после покрытия ПВХ служат не только отличным строительно-конструкционным материалом, но могут быть также использованы и в ряде других отраслей. Пока еще не удалось обеспечить в должном объеме производство полиэфирных волокон, которые по своим качествам — прочности и эластичности — в значительной степени превосходят другие материалы.
Сейчас исследованиям и развитию производства текстильных материалов уделяется большое внимание. Работами в этой области занимался Научно-исследовательский институт волокна в г. Шумперке, который достиг немалых результатов. В настоящее время налажен выпуск полиамидных волокон как по отечественной технологии, так и по зарубежной, в частности по японской лицензии. Их производство осуществляет народное предприятие «Хемко Гумене»; производство тканей, как и самих объектов, обеспечивает народное предприятие «Технолен» (см. таблицу). Срок службы тканей из полиамидного волокна около 10 лет. В течение этого срока они сохраняют прочность при разрыве от 3 до 6,5 кН/5 см.
Экспериментальные испытания первых образцов пневматических строительных конструкций способствовали разработке программы комплексного систематического исследования в этой области. Центром комплексного исследования стал Научно-исследовательский институт при Военной академии в Брно. В решении некоторых проблем, связанных с развитием текстильных материалов, достигли определенных успехов Научно-исследовательский институт волокна в Шумперке, а также изготовитель этих материалов — предприятие «Технолен». Результаты проведенных исследований изложены в ряде работ, все они были опубликованы в специальных журналах, а также представлены на конференциях в ЧССР и за рубежом.
Исследования проводились по трем основным направлениям: конструкционные материалы, воздухоопорные здания, пневмокаркасные конструкции.
Исследование материалов, предназначенных для строительных конструкций нового типа, было направлено на развитие новых видов тканей в соответствии с их назначением. Научно-исследовательскому институту волокна в Шумперке в сотрудничестве с предприятием «Технолен» удалось разработать материалы, которые по своим качественным параметрам не уступают зарубежной продукции. Одновременно также исследовались и развивались новые методы испытаний качества технических тканей в соответствии с их возможным использованием для изготовления пневматических строительных конструкций. Большое внимание уделялось поведению материала в самой конструкции.
Расчет пневматических строительных конструкций имеет некоторые характерные особенности. Главная из них состоит в том, что нужно учитывать не только прочность и модуль упругости ткани, но и изменение этих параметров со временем. Характерной особенностью тканей, предназначенных для пневматических строительных конструкций, по сравнению с традиционными строительными материалами является заметная потеря прочности в зависимости от продолжительности эксплуатации объекта. Поэтому большое значение имеет определение прочности и модуля упругости в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации готовой конструкции. Для этого был разработан новый метод испытания тканей — баллонный. Из испытуемой ткани изготовили баллон диаметром 40 и длиной 150 см. Концы баллона были зажаты металлическими дисками. На одном из концов был вмонтирован клапан для надувания. Изготовленный таким образом опытный образец надували при первых испытаниях воздухом, а затем, по соображениям безопасности, заполняли водой (рис. 8).
В процессе надувания был подвергнут испытанию материал баллона при двухосном напряжении — одновременно по направлениям основы и утка, т. е. так, как это имеет место в конструкции. Регулировка соотношения напряжений по направлению основы и утка возможна при введении дополнительной нагрузки в виде гирь, которые подвешены к баллону. Во время измерений деформаций баллона были определены значения модуля упругости. Критическое внутреннее давление в момент разрыва баллона является определяющим показателем для вычисления прочности испытуемой ткани. Эта прочность существенно отличалась от прочности, полученной на отрезках образцов ткани, испытанных в соответствии с существующими стандартами. Если необходимо определить истинную прочность ткани исходя из прочности, указанной в паспорте , то ее показатели должны учитывать влияние соотношений двухосного напряжения, с одной стороны, и влияние длительного воздействия нагрузки — с другой, а также условия эксплуатации конструкции и т. д. Влияние всех этих факторов определялось экспериментами, которые проводились в лабораториях и на опытных сооружениях.
Исследования пневматических сооружений в ЧССР проводились несколькими предприятиями. Для сооружений воздухоопорного типа рассматривалось воздействие на конструкцию ветровой и снеговой нагрузок. На поверхности оболочки пролетом 18 и длиной 42 м было намечено 65 точек, где измерялись вертикальные и горизонтальные деформации при разных внутренних давлениях и одновременном нагружении снегом. Измеренные деформации сравнивались с деформациями, полученными расчетным путем (рис. 9 и 10).
Надежность воздухоопорных сооружений зависит от их способности к восприятию всех, даже максимальных, растягивающих усилий в местах крепления к основанию. Определение этих сил ввиду множества факторов, на них влияющих, является нелегкой задачей. Целью исследования крепления воздухоопорных оболочек было определить с помощью как теоретических расчетов, так и измерений, проведенных на натурном объекте, оптимальные требования к условиям крепления и в соответствии с этим предложить наиболее надежный способ крепления. Большое внимание уделялось отработке решений анкеровки мобильных сооружений. Были разработаны винтовые сваи, которые отвечали требованиям не только надежности, но и наиболее облегченного монтажа.
Такое же внимание уделяли исследованию и усовершенствованию соединений тканевых полотнищ. Была изучена возможность использования швов, которые применяются при изготовлении плащевых изделий, для имеющихся конструктивных тканей. Монтажные швы, которыми соединяются отдельные секции оболочки на стройке, заранее проверялись в лабораторных условиях. В ЧССР с успехом применяется «стебельковое» соединение, когда стебельки из ПВХ вплетаются поочередно в кромки секций.
На рис. 11 показан передвижной агрегат с необходимым числом вентиляторов, специально разработанный для воздухоопорных зданий. Включение и выключение вентиляторов производится автоматически в зависимости от внутреннего давления и скорости ветра. В агрегат включен запасной генератор электрической энергии, который обеспечивает работу агрегата при нарушении подачи тока из электросети. Агрегат хорошо зарекомендовал себя на практике.
Исследования пневмокаркасных конструкций были направлены на поиск общего решения конструкции, а также на разработку пневматических арок. Испытанный вариант конструкций показан на рис. 6. Пневматические арки были испытаны в лабораторных условиях прежде всего с целью установления их несущей способности при различных уровнях внутреннего давления и изменениях в самой конструкции арки. Измерялась несущая способность арок кругового или параболического очертания, исследовались и проверялись некоторые возможности ее повышения путем армирования и др. Были исследованы возможности использования тканей с более высоким модулем упругости, например тканей из стекловолокна, возможности изготовления цельнотканых рукавов криволинейного очертания и т. п.
Оценивая экономику пневматических конструкций, приходится принимать во внимание эксплуатационные расходы, которые превышают расходы на содержание сооружений из традиционных материалов. Поэтому, несмотря на сравнительно небольшие единовременные расходы на приобретение пневматического здания, наступает момент, когда суммарные расходы сравниваемых зданий выравниваются. Наглядное сопоставление двух сооружений — воздухоопорного размером 21x57 м и металлического размером 21x60 м (каркас — стальные рамы, стены и кровля — гофрированная сталь) показано на рис. 12, откуда видно, что этот момент наступает после 15 лет эксплуатации.
В. Ермолов, У. У. Бэрд, Э. Бубнер и др., Пневматические строительные конструкции, М., 1983