Жесткая стабилизация притягиванием аэростата к конструкциям покрываемого здания

Жесткость стабилизации обеспечивается тем, что аэростат покрытия притягивается вниз и прижимается нижней частью, имеющей жесткий контур, к верхнему контуру конструкций покрываемого здания, форма которого должна соответствовать форме аэростата. В этом случае вертикальные нагрузки гасятся равновесием подъемной силы и натяжением растяжек, а горизонтальные ветровые передаются на конструкции здания.

Герметизация узла стыка аэростата покрытия и стены осуществляется более просто с помощью герметизирующего профиля аналогично герметизации стыков в окнах и дверях.

Данный способ предусматривает притягивание аэростата к земле или конструкциям покрываемого здания подобно способу, описанному выше, с той только разницей, что горизонтальные нагрузки передаются на опоры, прикрепленные к аэростату, а не на стационарные конструкции здания.

Особо интересно применение телескопических опор, встроенных в тело аэростата, описанное во втором разделе на примере гастрольного театра.

Несмотря на удорожание и усложнение конструкции этот способ дает уникальные возможности для мобильных зданий «причаливать» и становиться «ногами» на землю при любых условиях рельефа.




4.2. Типы и формы покрытия.

В аэростатическом покрытии собственно аэростаты могут выполнять функцию покрытия как единственные самостоятельные элементы либо, применяться в сочетании и иными традиционными типами покрытий.

В зависимости от таких сочетаний все аэростатические покрытия можно разделись на следующие типы:

1) монообъемные;

2) полиобъемные;

3) комбинированные со стационарными покрытиями;

4) комбинированные с тентовыми покрытиями;

5) совмещенные с пневматическими покрытиями.

1. 
   Монообъемное аэростатические покрытия.
   

Несмотря на то, что в этом типе покрытия аэростат в наиболее ясном и чистом виде выражает идею покрытия легче воздуха, он не описан ни в одном из ранее запатентованных технических решений. Соответственно, не было анализа возможных форм монообъемных аэростатических покрытий.

Не связанный задачами воздухоплавания, такой аэростат может иметь любую форму: эллипса, овального или круглого диска (двух шаровых сегментов), неправильного многоугольника, пирамиды, тора, конуса либо любого пространственного тела произвольной формы.

Кстати «Олимпийский Мишка» 1980 года был одним из первых аэростатов свободной (произвольной) формы, открывший целое направление использования их в рекламных целях.

Если речь идет о монообъемном покрытии, то с целью максимального увеличения площади покрытия, такая оболочка должна отвечать главному условию: ее размеры по ширине и длине должны быть больше чем по высоте, т.е. она должна быть максимально плоской.

Однако такая форма имеет большую площадь поверхности оболочки, а, следовательно, больший вес. К примеру, эллипсоид с классическим для дирижаблей соотношением размеров по горизонтали и вертикали равным 7,5, имеет площадь поверхности почти в два раза большую, чем поверхность шара того же объема.

Отсюда необходимость подбора оптимальных соотношений размеров аэростатов в монообъемных покрытиях. В дирижаблестроении есть термин «удлинение», характеризующий отношение длины дирижабля к его диаметру в самом широком месте. Этот термин имеет исторические корни т.к. в процессе развития от воздушного шара до дирижабля аппарат удлинялся.

По аналогии предлагается для аэростатических покрытий ввести термин «уплощение», а вернее коэффициент уплощения К_УПЛ – отношение наибольшей длины или диаметра к высоте аэростата. Здесь первоначальный воздушный шар как бы сплющивается – уплощается. Уплощение в первом приближении, по аналогии с удлинением может колебаться в пределах от 2,5 до 11,0 в зависимости от типа стабилизации, а также размера и типа внутренней конструкции аэростата. Например, наиболее рациональной формой, с точки зрения площади покрытия, является конус, однако эта форма может быть выполнена только при жесткой конструкции аэростата.

Другим обязательным требованием к форме аэростата является ее аэродинамичность, выражающаяся в отсутствии прямых углов в плане, а также вогнутых поверхностей, затрудняющих обтекаемость воздухом.

Это правило не распространяется на форму аэростата в разрезе, где вогнутая поверхность в отдельных случаях полезна.

Придание аэростату формы перевернутой тарелки (с вогнутой нижней поверхностью) обеспечивает дополнительную подъемную силу за счет подпора теплого воздуха снизу. Этот подпор тем больше, чем больше тепловыделение от людей и оборудования в покрываемом помещении (Рис. 12).

Для обычного традиционного покрытия такая «воздушная подушка» не имеет значения, т.к. подпор в десятки раз меньше веса самого легкого покрытия. Для покрытия легче воздуха подпор теплого воздуха снизу значительно (до 20%) увеличивает подъемную силу аэростата.

2). Полиобъемное покрытие
Теоретически аэростатическое покрытие может состоять из нескольких аэростатов, совмещающих, как и в предыдущем случае, несущую способность и функцию ограждения. Однако на практике встанет сложная задача герметизации стыков между аэростатами. Так как проблема больших размеров для аэростатических покрытий остро не стоит, то в большинстве случаев проще применить один большой аэростат, чем несколько маленьких, объединенных в одно покрытие.

Тем не менее, потребность в применении нескольких аэростатов может возникнуть в целом ряде случаев.

Покрытие больших размеров часто требует осветительных и вентиляционных отверстий, которые в свою очередь должны быть покрыты трансформируемым покрытием.

Самым простым способом устройства такого покрытия является полиобъемное покрытие, состоящее из двух аэростатов – основного с отверстием и дополнительного, покрывающего это отверстие. С помощью растяжек и лебедок дополнительный аэростат может менять высоту, регулируя освещенность и (или) вентиляцию покрываемых пространств.

Отверстие в основном аэростате можно покрыть еще несколькими способами в комбинации со стационарными или тентовыми покрытиями. При этом в последнем случае проблема стыков между аэростатами решается гибким тентовым покрытием, что позволяет применять в качестве несущих элементов сразу несколько аэростатов.

Однако такое покрытие назвать полиобъемным (т.е. состоящим только из объемов нескольких аэростатов) нельзя, т.к. оно комбинированное.

3. 
   Аэростатическое покрытие, комбинированное со стационарными покрытиями.
   

Совместность работы аэростата и стационарных конструкций крыши обеспечивается тем, что растяжки аэростата прикреплены к этой крыше по периметру около отверстия в ней. При этом подъемная сила аэростата частично разгружает тяжелые конструкции традиционной крыши, что теоретически позволяет сделать их легче.

Если поменять местами стационарную и аэростатическую части покрытия, то получится покрытие в виде аэростата с большим отверстием, покрытым конструкциями одного из традиционных типов.

Это может быть покрытие с применением металлических или деревянных балок, ферм, висячих оболочек, диафрагм, вант (типа велосипедного колеса) и т.д.

Крыша над этими конструкциями может быть из непрозрачных или прозрачных материалов. Важно чтобы материалы и конструкции стационарной части покрытия имели минимальный вес, так как в отличие от предыдущего примера, нагрузка от этой части передается не на стационарные конструкции стен, а на аэростат. Это обстоятельство ограничивает размер отверстия, площадь которого не может составлять больше 25-30% от общей площади покрытия и требует аэростата увеличенного объема с коэффициентом уплощения не более 5,0.

3. 
   Аэростатическое покрытие, комбинированное с тентами.
   

Продолжая анализ возможных вариантов аэростатических покрытий с отверстием в основном аэростате (в том числе аэростаты в форме тора), можно констатировать, что самым легким будет вариант с тентовым покрытием этого отверстия.

Сочетание аэростатов с легкими тентами особенно эффективно при необходимости покрытия больших и очень больших пространств. Усовершенствуя «покрытие Сладкова» (рис. 5,6), и применив полужесткую систему стабилизации, можно предложить тентовое покрытие, подвешенное к одному или нескольким аэростатам, выполняющим функцию несущих элементов и заменяющим опоры, применяемые в тентовых покрытиях в подобных случаях. Аэростаты при этом должны иметь обтекаемую форму с коэффициентом уплощения равным 2,5-3,0.

Один или несколько аэростатов может располагаться не над, а под тентовым покрытием, поднимая его в нужных местах. Этот вариант комбинированной системы внешне не так эффектен как предыдущий, но зато он очень рационален с точки зрения простоты монтажа и демонтажа покрытия временных и сезонных сооружений очень больших размеров. При этом он обеспечивает возможность надежной защиты от осадков и экономию на стабилизирующих растяжках, роль которых выполняет тент.

Это совершенно новый, не имеющий аналогов, тип покрытия, сочетающий особенности пневматических воздухонесомых конструкций аэростатов и тентов.

Так же как в мягких аэростатах, в воздухонесомых пневматических конструкциях неизменяемость формы под действием внешних нагрузок обеспечивается за счет избыточности давления газа внутри оболочки, с той только разницей, что в аэростате газ легче воздуха  13 .

Если в пневматических конструкциях применить легкий газ, например, гелий, то они буквально взлетят в воздух.

Если сделать своеобразную оболочку, герметично соединив два тента и заполнить пространство между ними газом легче воздуха с избыточным давлением, то можно получить аэростатическое покрытие, сочетающее легкость и жесткость пневматических (пневмокаркасных) конструкций с огромным разнообразием форм, характерных для тентовых покрытий.

Уникальная свобода архитектурного формообразования в сочетании с легкостью и жесткостью делает этот самый неизученный тип аэростатических покрытий очень перспективным.

Выбор типа и формы аэростатических покрытий непосредственно влияет на возможный размер такого безопорного покрытия. Этот вопрос требует детальных расчетов и опытных проверок, до проведения которых можно обозначить только минимальные и максимальные размеры покрываемых пространств.

Вопрос о минимальных размерах – это вопрос экономики. Чем больше пролет традиционной конструкции, тем она тяжелее и тем дороже квадратный метр покрываемой площади. Чем больше размер аэростатического покрытия, тем меньше ее вес и цена, приходящаяся на метр покрываемой площади.

Где пересекаются графики таких обратных зависимостей априори сказать невозможно, но можно предположить, что экономическая эффективность применения аэростатических конструкций начинается с пролета (диаметра) около 30м.

Традиционное тяжелое покрытие при таких пролетах достаточно дорогое и сложное. А вот конструкция аэростата монообъемного покрытия при таком диаметре очень проста – только мягкая оболочка. Его объем может составлять от 2500м³ до 3000м³ (К_у=5 - 4). Дирижабли такой конструкции и объема строились еще в 1870 году.

Максимальный размер покрытия, в котором есть необходимость, в настоящее время составляет примерно 320х240 м. Это крупнейшие Олимпийские стадионы. Нужды в покрытии пространств больших размеров в гражданском строительстве пока еще нет, хотя есть несколько ангаров промышленного назначения близких размеров.

Проекты дирижаблей подобных размеров разрабатываются сейчас и в США, и в России, и в Германии. А проекты воздухоопорных зданий значительно превосходили проекты дирижаблей по размерам.

Так ведущие инженеры и архитекторы с мировыми именами Ф.Отто, К.Танге, О.Аруп и др. еще в 70-е годы разработали проект двухслойного воздухоопорного купола диаметром 2 км для покрытия города на 15-45 тысяч жителей в Арктике.

Так что вопрос максимально возможного размера для аэростатического покрытия - это не вопрос технических возможностей и экономики, а вопрос амбиций и желания сделать что-то выдающееся, необычное, подобное куполу «МИЛЕНИУМ» в Лондоне, который, кстати, имеет диаметр 320м. при пролете стоек более 180м.

В дирижаблестроении принято делить все дирижабли на три типа в зависимости от типа внутренней конструкции:

Эти усилительные стержни вкладывались в специальные карманы, вшитые в оболочку.

Мягкие дирижабли имели ограничения по размерам. Обычно эта конструкция применялась в аппаратах с объемом не более 10000м³ . При длине около 70 метров такой дирижабль имел около 17 метров в диаметре.

Так как мягкие дирижабли сохраняли форму только за счет избыточного давления газа внутри оболочки, их коэффициент удлинения обычно был не более 5,0.

Для более длинных дирижаблей с большим объемом применялась полужесткая конструкция. Такие дирижабли также имели мягкую оболочку, но снабжались силовой фермой, идущей внизу внутри оболочки от носа до киля. К этим фермам крепились все элементы дирижабля, испытывающие нагрузки; внутри ферм устраивались технические проходы и размещались баллоны со сжатым газом.

Объем дирижаблей полужесткой конструкции мог достигать уже

30000 м.³, а удлинение приближалось к 7,0.

Только жесткие дирижабли могли иметь больший объем и удлинение до 11,0. Жесткие дирижабли, подобно кораблям, имели пространственный каркас, состоящий из продольных элементов – «стрингеров» и поперечных ферм – «шпангоутов».

Система снабжалась паутиной расчалок из стальной проволоки и обтягивалась оболочной из легкой прорезиненной ткани. При этом жесткость и неизменяемость формы не зависели от давления газа и обеспечивались жесткостью каркаса.

С целью повышения надежности жесткие дирижабли делились на герметичные отсеки или снабжались отдельными от внешней оболочки газовыми баллонами, количество которых достигало 17 шт.

Основываясь на этом обширном опыте можно прогнозировать, что аэростаты для покрытий тоже будут иметь три вида внутренней конструкции с примерно такими же ограничениями по размерам (объему) как и дирижабли:

Мягкие аэростаты с объемом от 2 до 10 тыс. метров кубических при К_упл.=2,5-5,0;

Полужесткие аэростаты с объемом от 8 до 30 тыс. м3 при К_упл. = 4,0-7,0;

Жесткие аэростаты с объемом от 25 до 300 тыс.м3 при К_упл. = 5,5-11,0

На этом сходство, вероятно, и закончится, т.к. форма и функция у дирижабля и аэростата покрытия разные.

Прежде всего, на внутреннюю конструкцию окажет влияние форма, при которой основная нагрузка будет приходиться не на отсутствующие нос, гондолу и рули, а на внешний периметр «диска» аэростата.

Соответственно, для любого типа аэростата покрытия усиление конструкций должно проводиться горизонтально расположенными по периметру оболочки стержнями или фермами, а расчалки должны располагаться тоже в горизонтальной и наклонной плоскости подобно спицам в велосипедном колесе.

По аналогии с колесом усилительный элемент по периметру аэростата можно назвать силовым тором или «ободом», и именно к этому ободу, перераспределяющему сосредоточенную нагрузку, надо крепить все растяжки для стабилизации покрытия.

Также радикально должно измениться и внутренние деление на отсеки и газовые баллоны.

Как уже говорилось, обеспечить надежность и безопасность конструкции в случае непредвиденного падения аэростата можно более простым и надежным способом, чем делением внутреннего объема на несколько герметичных отсеков. Но если уж делить внутренний объем, то это рациональнее сделать мембраной по горизонтали, используя принципы российской разработки, названной «термопланом». Этот уникальный проект грузовых дирижаблей с грузоподъемностью до 600 тонн и диаметром до

250м. совмещает принципы аэростата с газом легче воздуха и так называемого теплового аэростата  14 .

В верхней части «летающей тарелки» термоплана находятся емкости с гелием, а в нижней - термообъем с горячим воздухом.

Этот нижний объем обеспечивает терморегулирование подъемной силы за счет изменения температуры воздуха в термообъеме, что может быть очень полезным и для аэростатических покрытий.

Очень рациональной для аэростатических покрытий может оказаться и не требующая ангаров технология «строительства» особого типа термопланов, названного «локомоскайнером».

Каркас «локомоскайнера», главным элементом которого является силовой тор, собирается под открытым небом из готовых крупных сборных элементов. На каркас натягивается верхняя часть оболочки, которая служит ангаром сама себе. По расчетам конструкторов «локомоскайнеров» эта технология удешевляет постройку таких аппаратов, как минимум, в два раза по сравнению с дирижаблями такого же объема

Свойство материалов для оболочек, наполняемых газом («баллонных материалов» в терминологии дирижаблестроения), имеет первостепенное значение для аэростатических покрытий.

К этим материалам предъявляются очень разнообразные и противоречивые требования: легкость, прочность, долговечность, огнестойкость, биостойкость, тепло- и морозостойкость, способность к окрашиванию и, наконец, водо- и газо- непроницаемость.

В начале 20^го века все передовые достижения науки и технологии промышленности были использованы для поиска и массового производства материалов с подобным уникальным набором свойств.

В результате появился ряд специальных двух и трех-слойных материалов (одно- и многослойные материалы применялись редко). Синтетические волокна в то время были очень дороги, и основу таких материалов составляли 2-3 слоя прорезиненной технической ткани органического происхождения (хлопок, лен, шелк, крапива), покрытых с наружной стороны составами с алюминиевым порошком (для отражения солнечных лучей).

Вес таких материалов был достаточно небольшим – от 270 до 470г/м², зато огнестойкость практически отсутствовала, а главное свойство – газопроницаемость составляла достаточно большое значение.

Экономически было неоправданно производить материалы с газопроницаемостью, меньшей, чем 10л газа на 1м² в 24 часа. Это означало, например, что небольшой дирижабль терял в день примерно 0,4 % водорода или 12% в месяц. Правда, если бы это был гелий, то потери были бы на

70-80 % меньше, что все же много для аэростатического покрытия, которое должно работать годы и десятилетия.

Современные материалы на разнообразной синтетической основе разрабатывались с начала 50-х годов 20 века для «прямых потомков» дирижаблей – пневматических конструкций, а затем для тентовых конструкций, спортивных и рекламных аэростатов.

Различают два вида таких тканей:

- ткани, покрытые или пропитанные полимерами;

- двойные пленки с армирующим слоем между слоями пленки.

Первые применяются значительно чаще.

Наиболее распространенными являются следующие виды тканей:

- полиэфирные, покрытые поливинилхлоридом или оболочкой из нейлона (Западная Европа);

- полиамидные, покрытые полиуретаном (ПВХ) или полихлоропреном (Северная Америка, Россия);

- поливинилспиртовые, с покрытием ПВХ (Юго-Восточная Азия).

Все эти ткани, как правило, прочнее, но тяжелее, чем баллонные материалы для дирижаблей 20-го века, и недостаточно долговечны.

Последние годы во всем мире широкое распространение получила стеклоткань с покрытием тефлоном, специально разработанная для крупных тентовых и пневматических конструкций.

Из этого материала построено уже более 20 крупных и крупнейших зданий, включая купол «МИЛЕНИУМа», крытые стадионы «Юни-дом» и «Силвердом» (США), Центр приема паломников Хадж в Саудовской Аравии и т.д.

Этот материал прозрачен, прочен и легок (в среднем – 0,5 кг/м²), отталкивает грязь, служит 30-40 лет, но пока еще достаточно дорог.

Идеальный материал еще не найден и может быть, это будет «потомок» цельнометаллических дирижаблей – мембрана из тонких листов нержавеющей стали или алюминия, а может быть, ткань типа «арамид», «кавлар», которая прочнее стали, вдвое легче стеклоткани, морозо - и

огнестойкая, но пока еще недолговечна. Спрос в современном мире порождает появление материалов с заданными свойствами, и они обязательно появятся.
4.5. Оборудование
Как любое строительное покрытие аэростатическое покрытие кроме веса собственной конструкции, должно нести вес вентиляционного, осветительного, звукоусилительного, акустического и иного технологического оборудования, необходимого для полноценного функционирования покрываемого пространства.

Как в любом большепролетном покрытии, это оборудование должно быть максимально легким, чтобы не удорожать стоимость покрытия. Но есть и принципиальные различия аэростатического покрытия от традиционного.

Закономерности рационального формообразования конструкций традиционного строительного покрытия всегда приходится примирять с функциональным размещением оборудования, идя на определенный компромисс.

Свобода формообразования аэростатического покрытия дает возможность легко приспособить его форму под функциональные нужды, сделав необходимые для оборудования ниши, выемки и отверстия в объеме аэростата покрытия. На примере гастрольного театра уже была проиллюстрирована возможность разместить «в теле» аэростата всю сценическую коробку с галереями, колосниками, софитами и т.д.

Можно придать аэростату любую наиболее функциональную форму.

Правда, любое дополнительное оборудование, любые ниши и отверстия в аэростате должны увеличивать его объем, т.е., чем больше вес оборудования, количество ниш и отверстий, тем меньше коэффициент уплощения.

Моно - и полиобъемное аэростатическое покрытие имеет также возможность установки оборудования, обычно не применяемого в большепролетных конструкциях, несмотря на рациональность такого применения. В частности, к нижней поверхности аэростата можно подвесить обогревательные элементы инфракрасного излучения панельного или рулонного типа.

Эти элементы будут обогревать покрываемое помещение, а в случае с аэростатом типа «Локомоскайнер», подогревать воздух в термообъеме, увеличивая его подъемную силу.

Для обеспечения инфракрасных излучателей энергией и уменьшения энергопотребления на освещение на верхней поверхности аэростата можно разместить солнечные батареи или коллекторы.

Вес всех этих полезных элементов, естественно, необходимо учитывать при расчете подъемной силы.