ГлавнаяЧтобы оболочка потеряла свою устойчивость и ее туго натянутая округлая поверхность превратилась в обмякшее полотнище, нужно, чтобы вышло очень немного воздуха. Дополнительный объем воздуха, необходимого для создания избыточного давления:
Например, для наполнения оболочки размерами 50х25х10 м требуется 11 350 м3 воздуха. Чтобы она потеряла свою устойчивость, которую обеспечивало создаваемое вентиляторами избыточное давление 150 Па, достаточно утечки
Для сокращения потерь воздуха при открывании входов используют шлюзы (рис. 3.26). Шлюз имеет наружные и внутренние двери (ворота) и камеру между ними, обычно обтягиваемую тентом из того же материала, что и основная оболочка. При пользовании шлюзом открывается одновременно только одна дверь; давление воздуха в шлюзе меняется от повышенного, равного давлению в сооружении, до атмосферного.
Ширина шлюза для людей 0,6—1,2 м, высота — до 2 м, длина — зависит от размера мелкой ноши (носилки, тачки и т. п.), обычно она равна 1,5—3 м. Размеры грузовых шлюзов определяют габариты вводимой и выводимой техники, которые могут быть очень значительными (рис. 3.26, а).
Классическая конструктивная схема шлюза представляет собой жесткий пространственный каркас (несущая система), тент (мягкое ограждение) и заполнение проемов (двери, ворота). Жесткий каркас состоит из двух портальных рам, удерживающих ворота, промежуточных рам и связей, обеспечивающих пространственную неизменяемость системы (рис. 3.27).
Тент обычно натягивают поверх каркаса, крепя его по контуру портальных рам и не связывая с промежуточными; это дает тенту возможность свободно отходить от промежуточных рам при открывании внутренних ворот. При небольших размерах шлюзов, позволяющих обходиться без промежуточных рам, возможна внутренняя подвеска тента. Встречаются шлюзы в виде жестких каробок листовой конструкции; их целесообразно использовать в качестве контейнеров для перевозки комплекта транспортабельного воздухоопорного здания.
Стыковка жесткой конструкции шлюза с мягкой оболочкой ставит последнюю в условия стесненных деформаций по линии контакта, следствием чего может быть концентрация напряжений по стыковым швам. Для смягчения этих явлений, а также для более свободного расположения 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 жестких воротных или дверных полотнищ: вращения (распашные) и сдвига (откатные). Распашные ворота и двери обычно делают открывающимися внутрь помещения, используя давление воздуха с целью улучшения уплотнения притвора (рис. 3.28, а). Однако распашные полотнища «съедают» часть полезной длины шлюза, заставляя увеличивать ее на размер ширины полотнища. Во избежание этого наружные ворота делают откатными (рис. 3.28, б). Внутренние откатные ворота менее удобны, чаще их проектируют распашными. Открытию распашных ворот препятствует давление воздуха. Во избежание этого в полотнищах устраивают небольшие (200—300 см2) форточки, при открывании которых выравнивается давление воздуха с обеих сторон ворот или дверей.
Дверные (воротные) полотнища делают, как правило, из жестких материалов — досок, фанеры, металлических и пластмассовых листов, подкрепленных ребрами. Представляет интерес шторное заполнение проемов (рис. 3.28, д, е). Шторные двери (ворота) должны иметь армирование в виде вертикальных или горизонтальных ребер жесткости.
Двери шлюзов для людей, открывающиеся внутрь помещения, не совсем удобны при необходимости быстрой эвакуации, например в случае пожара. Этот недостаток преодолевается устройством «уравновешенных дверей» (рис. 3.29), в которых давление воздуха распределяется поровну между жестко связанными друг с другом половинками створок, вращающихся вокруг вертикальной оси.
Удвоения ширины шлюза можно добиться устройством скользящей оси (рис. 3.29, б). Схемы «уравновешенных» запасных дверей, предназначенных для экстренных случаев и поэтому обходящихся без шлюза, показаны на рис. 3.29, в.
Прочность и устойчивость каркаса рассчитывают исходя из двух рабочих состояний шлюза (при наличии внутреннего давления воздуха и при его отсутствии) на две комбинации нагрузок: снег и ветер при отсутствии избыточного давления; ветер при избыточном давлении и отсутствии снега. Последняя комбинация заставляет 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 внутренний 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 конструкции мягких шлюзов.
Когда через шлюз не надо проносить громоздкие предметы, возможно устройство жесткого цилиндрического тамбура с вращающимися дверями (рис. 3.32). Ввиду незначительной утечки воздуха, такое устройство рационально при непрерывном пропуске больших масс посетителей, например в выставочных павильонах. Однако в этом случае необходимо организовать движение так, чтобы избежать людского потока в правое и левое полотнища одновременно. Если входами пользуются редко и только для прохода людей, то шлюза может и не быть. Его заменяет лаз, закрытый мягким полотнищем или жесткой крышкой, которые прижимаются к проему давлением воздуха (рис. 3.33).
Чем крупнее габариты техники, хранимой, изготовляемой 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 воздухоопорной оболочки как бы изживает себя, поскольку эту технику можно размещать уже не в здании, а в самом шлюзе. Ввод и вывод техники таких размеров требует полного или почти полного открытия торца оболочки. Утечки воздуха при этой настолько велики, что компенсировать их практически невозможно. Так возникает проблема поддержания оболочки на время ввода или вывода техники при полностью открытом торце сооружения.
Есть два пути ее решения. Первый ведет к использованию различных механических устройств, поддерживающих оболочку в таком состоянии, чтобы техника проходила под ней беспрепятственно. Второй — привлечение аэродинамических сил, создание направленных потоков воздуха, препятствующих опусканию оболочки.
Следуя по первому пути, оболочку снабжают поддерживающим каркасом, на который она ложится на то время, когда торец сооружения полностью открыт для пропуска техники. После закрытия торцевой части оболочку крепят к основанию, она наполняется воздухом и снова превращается в воздухоопорную конструкцию. При этом оболочка должна отходить от каркаса — мера небесполезная, так как ее контакт с жесткими конструкциями нежелателен ввиду опасности протирания или прокола.
Поддерживающий каркас — легкие арки или рамы (рис. 3.34), рассчитанные на кратковременные нагрузки 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 недостатков этих конструкций — двух-трехкратного повышения веса, стоимости и трудоемкости монтажа, поддерживающие системы таят в себе еще одну скрытую опасность, реальное существование которой подтверждено практикой. Несмотря на то, что поддерживающий каркас рассчитан на кратковременную эксплуатацию при отсутствии ветра и снегового накопления, сам факт его наличия провоцирует лиц, эксплуатирующих сооружение, на выключение поддува воздуха. Многим хозяйственникам кажется бессмысленным «гонять вентиляторы», когда оболочка спокойно лежит на каркасе. Ho она «лежит спокойно» лишь до первого ветра, снегопада или дождя. После этого оболочка рвется, нередко погибает и каркас, не выдерживая не предусмотренных расчетом ветровых нагрузок или веса снеговых или водяных мешков. Отсюда часто делают поспешный вывод о негодности пневматических конструкций вообще.
Опасение контакта мягкой оболочки с металлическими поддерживающими конструкциями, а также соображения максимального «изгнания» металла из пневматического сооружения порождают идею использовать пневматический каркас для временного поддержания оболочки (рис. 3.35). Появляется комбинированное пневматическое сооружение. В режиме нормальной эксплуатации — воздухоопорное сооружение с пневмоарками, стравленными и подвешенными к оболочке. В режиме ввода-вывода техники — воздухонесомая (точнее, пневмоарочная) конструкция с оболочкой, выполняющей 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 сооружения повышается, и появляются недостатки, свойственные всем пневмостержневым конструкциям: необходимость в специальной воздухонагнетательной установке высокого давления — компрессоре, высокие требования к герметичности оболочки и др. Остается опасение, что наиболее рациональный режим эксплуатации сооружения — воздухоопорный не будет использован («Если оболочка держится на арках, зачем ее поддувать?»).
В 1969 г. автором была предложена (заявка № 1435696/29-14) новая пневматическая система поддержания оболочки при открытом торце. От обычной пневмоарочной поддерживающей системы она отличается не только конструктивно, но и принципом действия, исключающим возможность неправильной ее эксплуатации.
Пневматический поддерживающий каркас в данном случае не является отдельной конструкцией. Он образован поперечными и продольными полосами, нашитыми на оболочку так, чтобы при подаче в них воздуха оболочка покрывалась системой арок и продольных ребер, как бы «вспухающих» на ее поверхности и делающих 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, которая обычно работает в режиме воздухоопорного сооружения, а на время открытия торца — в режиме пневмоарочного. Непрерывная работа воздуходувки компенсирует возможные утечки воздуха, поэтому требования высокой герметичности, предъявляемые к аркам пневмокаркаса, отпадают. Непрерывная работа электродвигателя является характерной чертой эксплуатационного режима сооружения, поэтому повода для его выключения быть не может. В этом можно усмотреть гарантию сохранности оболочки. В соответствии с этим предложением Уфимский завод РТИ после соответствующей конструктивной проработки изготовил комбинированное пневматическое сооружение пролетом 12 м с открывающимся торцом длиной 24 и высотой 6 м. Испытания сооружения подтвердили рациональность конструкции (рис. 3.37).
Второй путь поддержания оболочки на время открытия торца — воспрепятствование выходу воздуха из-под оболочки встречным потоком.
В 1964 г. проф. Г.И. Покровский предложил «тормозить» выход воздуха из-под оболочки встречным потоком воздуха, направляемым щелями особого профиля вблизи выхода. Эта идея на практике не проверялась. 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 использована реактивная сила газов. Так, если в мягких шлангах, подвешенных к потолку оболочки, сделать ряд открытых вниз отверстий (рис. 3.39), то нагнетаемый в шланги воздух, вырываясь из отверстий, создает реактивную подъемную силу, которая, возможно, будет достаточна для противодействия силе тяжести оболочки.
