Беседы о бионике

Формы поверхностей пневматических оболочек должны отвечать определенным требованиям. При соответствующем раскрое материала и контуре опоры пневматическая оболочка под действием внутреннего избыточного давления приобретает форму поверхности наибольшего объема. Наиболее распространенными формами сейчас являются цилиндрический свод и сферический купол. Однако в пределах этого же закона формообразования допустимо огромное разнообразие форм оболочек, что открывает широкие возможности для решения разнообразных архитектурно-планировочных задач.

Наибольшую опасность для систем воздухоопертого типа представляют сильные ветры. Ветер, дующий с одной стороны купола, вызывает в различных его частях неодинаковые напряжения, а ведь оболочка надувного сооружения должна быть равномерно жесткой по всей поверхности. В случае же концентрации напряжений в одной части оболочки она может разорваться, а если опора у нее узкая, то возникает опасность опрокидывания купола. Всего этого можно избежать, поддерживая внутри здания такое давление, чтобы все точки его оболочки были напряжены до степени, препятствующей образованию складок под напором ветра.

Исследования, проведенные в аэродинамической трубе, показали, что мягкая оболочка надувной системы способна передавать чрезмерные напряжения, возникающие в одной ее точке, другим частям. Был поставлен такой опыт. В аэродинамическую трубу поместили модель надувного дома. Ураганный ветер со скоростью 320 км/час не нарушал формы купола модели при избытке давления внутри нее, составлявшем лишь 5% атмосферного!

Большой вклад в решение проблемы колебания мягких оболочек в потоке газа или жидкости внес советский ученый профессор С. Алексеев — один из авторов новой теории, позволяющей с большой точностью производить расчеты надувных систем. Эта теория получила высокую оценку видных отечественных и зарубежных механиков. Она повсеместно используется ныне при проектировании надувных сооружений.

Что касается материала для оболочек надувных систем, то многочисленные и длительные опыты показали — это должна быть прочная ткань, устойчивая к атмосферным влияниям, не становящаяся жесткой при низких температурах, не впитывающая воду, не слишком растяжимая, не портящаяся при продолжительном хранении. В настоящее время в пневматически напряженных конструкциях используются технические ткани на основе капрона, лавсана, нитрона, а также стеклянные волокна, пластмассовые армированные и неармированные пленки, тросы, тросовые сетки и другие материалы на основе минеральных и синтетических волокон, иногда — тонкие металлические листы. Лучше всех показали себя в эксплуатации оболочки, изготовленные из высококачественного нейлона. Для повышения прочности на разрыв применяется двухслойная ткань с нитями, пересекающимися под углом 45°, благодаря чему в случае надрыва она не разрывается дальше. Для придания покрытиям водо- и воздухонепроницаемости используются синтетические каучуки типа бутилкаучука, неопрена, а также полихлорвиниловые и полиэфирные смолы. Для светопрозрачных покрытий можно пользоваться пластмассовыми пленками (полиамидными, полиэтилентерефталатными, полихлорвиниловыми и т. д.).

Соединение полотнищ материи или пленки между собой зависит от напряжений в конструкции, которые в свою очередь обусловливаются требованиями, предъявляемыми к пневмосооружению. Соединения могут быть клееными или шито-клееными (при прорезиненных тканях). При использовании пленок соединение раскроенных полотнищ производится с помощью сварки — высокочастотной или тепловой.

Одна из трудностей, возникающих при эксплуатации воздухоопертых сооружений, состоит в конденсации паров, всегда присутствующих в воздухе, на внутренней поверхности оболочки, особенно в холодное время года. С этим можно бороться соответствующей вентиляцией помещения или с помощью веществ, поглощающих водяные пары из воздуха.

Рис. 7. Если оболочку, которую человек несет на плече, надуть воздухом, то получится здание площадью 12X24 м²

Зимой внешняя поверхность оболочки надувной системы обледеневает. Если площадь оболочки не очень велика, то обледенение можно устранить, изменяя давление в здании, чтобы вызвать движение оболочки и растрескивание льда. Если же оболочка велика, то на нее можно направить изнутри излучение инфракрасных ламп; такой нагрев оболочки предотвратит скопление снега и льда на ее наружной поверхности. Попутно заметим, что проблему создания отапливаемых воздухоопертых зданий можно решить путем комбинации воздушных насосов с калориферами.

Рис. 8. Начальная стадия надувания оболочки