Аэростатическая архитектура

( теория безопорных аэростатических покрытий)

СОДЕРЖАНИЕ:

1.Введение.

2.История.

3.Термины и определения.

4.Задачи проектирования.

4.1. Способы стабилизации.

4.2. Типы и формы покрытия.

4.3. Внутренняя конструкция.

4.4. Материалы оболочки

4.5. Оборудование.

5. Расчет подъемной силы.

6. Область применения.

7. Заключение.

Источники.

Мечта подняться в воздух, освободившись от оков тяготения, будоражила воображение людей всю историю человечества, отражаясь во множестве мифов, легенд и проектов.

Мифический изобретатель и архитектор Дедал первым сделал крылья для себя и своего безрассудного сына Икара. Реальный ученый, художник и архитектор Леонардо да Винчи воплотил мечту в целой серии проектов летательных аппаратов.

Кто в реальности первым поднял в небо летательный аппарат? Может это был - безымянный китайский ученый еще в 15 веке, а может рязанский подъячий Крикутной в 1731 г.? Неизвестно. Но известна дата официального рождения воздухоплавания. 5 июня 1783 г братьями Этьеном и Жозефом Монгольфье был поднят в воздух аэростат, открывший эру воздухоплавания – сто пятидесятилетнюю гонку идей, изобретений, экспериментов, испытаний, проектов, триумфов и катастроф.

Сейчас трудно себе представить тот энтузиазм и вдохновение, которые все это время сопровождали воздухоплавание. В каждом, уважающем себя городе, учреждался «Клуб воздухоплавателей»; в воздух поднимались сотни экспериментальных летательных аппаратов самых причудливых форм, собирая огромные толпы зевак.

Все передовые достижения науки и техники в первую очередь применялись в воздухоплавании, которое по уровню общественного и государственного внимания можно было сравнить только с космонавтикой второй половины XX века. Дирижабли казались триумфом человеческой мысли и символом прогресса техники.

Лучшие ученые и инженеры полтора века бились над главными проблемами дирижаблестроения – управляемостью и надежностью.

Через 154 года после своего рождения 6 мая 1937 г. эпоха воздухоплавания внезапно закончилась, и общество отвернулось от воздухоплавания.

Считается, что причиной этого является гибель гигантского дирижабля LZ-129 «Гиндербург», однако конец был предрешен задолго до трагедии.

Первые, кто отвернулся от воздухоплавания, были военные. Гигантские размеры дирижаблей породили их тихоходность и плохую управляемость, делая их не только игрушкой стихии, но и прекрасной мишенью для самолетов и наземных орудий.

Несмотря на гибель более сотни дирижаблей в Первой Мировой Войне (был уничтожен практически весь воздухоплавательный флот), развитие дирижаблестроения пошло по пути еще большего увеличения размеров аппаратов. Колоссальные, величественно плывущие в небе сигары, производили на публику огромное впечатление, но окончательно похоронили надежды на их военное использование.

Трагедия в Нью-Йорке, унесшая жизни 35 людей (из 97 находившихся на борту «Гиндербурга»), вызвала в обществе шок, но не количеством человеческих жертв, а публичностью и грандиозностью зрелища. Восхищенное ожидание общества ориентированное на широко разрекламированное гражданское воздухоплавание было глубоко обмануто. Общество и, что важнее, государства и финансисты, сделали выбор в пользу «техники двойного назначения» - авиации.

Идеи дирижаблестроения нашли продолжение (в неизмеримо меньших объемах) в стратостатах, аэростатах заграждения во Второй Мировой Войне и в рекламном бизнесе.

Однако, подобно тому, как парусное судоходство нашло свое продолжение в яхтенном спорте, так и идеи воздухоплавания остались жить в красивейшем виде спорта – соревнованиях «воздушных шаров» - тепловых аэростатов.

Всю историю цивилизации в другой, сугубо земной области знаний тоже жила мечта о преодолении силы тяжести, но не для путешествий по воздуху в дальние страны, а для того чтобы закрывать людей от дождя, ветра и холода, создавая искусственную среду, называемую архитектурой.

Борясь с собственным весом каменных конструкций, гениальные архитекторы эпохи Возрождения мечтали покорить рекорд бетонного купола Пантеона (диаметр 43,5м.), построенного еще в 128г. новой эры в Риме.

Пролеты более 100м. покорились инженерам только в конце XIX веке с появлением легких металлических конструкций. Хотя проекты воздухонапорных куполов с пролетами более 300м. публиковались с конца 30-х годов, 200-метровый пролет был покорен только в 1975 году.

Несмотря на острую необходимость в покрытии больших стадионов для летних олимпийских игр, еще ни одна олимпийская арена полностью не перекрыта.

Не имея возможности преодолеть силу тяжести физически, архитекторы преодолевают ее в образах зданий в форме взлетающей тарелки, птицы или некоей невесомой кинетической скульптуры.

Р
ис.1

Почему архитекторы до сих пор не обратились к опыту воздухоплавания, а воздухоплаватели не обратили внимание на мечты архитекторов? Вероятно, это парадокс XX века – века «узкой специализации».

2. ИСТОРИЯ

Идея использования аэростата в качестве «большепролетного» покрытия в прямом и переносном смысле витает в воздухе с 70-х годов прошлого века. Главный «родовой» недостаток аэростатов и дирижаблей - их гигантские размеры при использовании этих аппаратов для покрытия больших пространств чудесным образом становится их главным достоинством, т.к. чем больше и легче такое покрытие, тем лучше.

Аэростат, используемый как покрытие, не должен, дожидаясь погоды, причаливать и отчаливать с риском для жизни экипажа и пассажиров. Такой аэростат никуда не должен лететь и, следовательно, скорость полета и его управляемость не имеют никакого значения.

Гигантский для строительных покрытий размер в 240м (длина Большой спортивной арены в Лужниках), был преодолен в дирижаблестроении еще в 1936г., печально знаменит дирижаблем «LZ-129».

И
это далеко не предел размера для аэростатов, ведь «LZ-129» должен был еще, и летать со скоростью 135км/ч и нести 84 тонны полезной нагрузки, включая 60 тонн горючего и 50 пассажиров.

Главный враг большепролетных конструкций – собственный вес для аэростата является отрицательным. Вместо того, чтобы передавать вес конструкций в несколько десятков тысяч тонн на фундаменты, нужно

заботиться о том, чтобы эти фундаменты не улетели в воздух вместе с покрытием.

Отставив в сторону технические и экономические проблемы, можно констатировать, что аэростат является идеальным покрытием для больших пространств.

Эта идея захватила автора этих строк более тридцати лет назад, еще до Московской Олимпиады 1980г. Первоначально она отразилась в нескольких эскизах «летающих тарелок», зависающих над олимпийскими стадионами.

Так как Большая спортивная арена стадиона в Лужниках для реализации идеи такого масштаба казалась «мелковатой», то эскизировалось покрытие над спортивной ареной подобной колоссальному недостроенному московскому стадиону «им. Сталина» в Измайлово. Но по неясной, тогда для автора, причине этот стадион был перенесен почему-то, в местность, очень напоминающую Имеретинскую долину в Сочи.

Эта идея нашла своё продолжение в эскизах проекта гастрольного театра для международного конкурс ОИСТАТ, объявленного в 1982г. Здесь буксируемая вертолетом «летающая тарелка», была уже полностью снабжена всем необходимым театральным оборудованием, включая колосниковую сцену с декорациями и софитами. Тарелка могла «приземлиться» хоть в пустыне, упершись в землю выдвижными телескопическими опорами и притянувшись к ней тросами.

Однако дальше первых эскизов работа не пошла – уж слишком фантастичной и «оторванной от земли» казалась эта красивая идея. Стимулом возвращения к этой идее стала уже новая Олимпиада «Сочи – 2014»

За прошедшие десятилетия идея тоже прошла некоторый путь развития, перейдя из стадии «Этого не может быть» к стадии «В этом что-то есть». Замечательно, что впервые «большепролетные» конструкции покрытий оторвались от земли и взмыли в воздух в изобретении российских инженеров. В том же 1982 году было официально опубликовано описание изобретения С.И. Сладкова  1 .

Покрытие стадиона предлагалось выполнить в виде тента из синтетической прозрачной ткани, который поднимался вверх несколькими «баллонами – аэростатами» шаровидной формы, наполненными газом легче воздуха, например, гелием.

С целью ускорения и упрощения монтажа между землей, тентом и аэростатами устраивалась хитроумная система лебедок, петель, крепежных и стягивающих канатов.

Идея подвешенного к аэростату тента была развита в изобретении, того же автора (1984г.). В этом изобретении в качестве подсобного элемента, обеспечивающего неизменяемость покрытия в плане, впервые появился «аэростат в форме тора»  2 .

Через два года (в 1986г.) в изобретении Б.Н. Наровского аэростат в форме тора стал уже главным элементом, несущим те же тенты названные оболочками.  3 .

Характерно, что автора больше занимала не идея парящего в воздухе покрытия, а идея возможности изменения кривизны нижней оболочки (и изменения эффектов отражения) за счет заполнения воздухом полостей между оболочками.

Покрытие в виде аэростата в форме плоского, овального в плане, диска над отверстием в стационарной крыше стадиона впервые было запатентовано в Японии только в 1995 году корпорацией SHIMIZU CONSTRUCTION CO LTD  4 .

Все перечисленные изобретения обладали одним, но очень крупным недостатком – они не обеспечивали стабильности положения покрытия в пространстве. Как по вертикали, так и в горизонтальном направлении покрытие могло менять свое положение из-за гибкости тросов, притягивающих его к земле или к конструкциям покрываемого сооружения.

Покрытия могут подниматься или опускаться при перепадах температуры и давления в атмосфере и внутри аэростата, при изменении полезной нагрузки (снег, дождь) или под действием подпора теплового воздуха снизу при большом тепловыделении от земли или в покрываемом пространстве.

Если этот недостаток можно в какой-то степени компенсировать несколькими способами, то надежно обеспечить стабильность покрытия под воздействием боковых порывов ветра, используя указанные изобретения практически невозможно.

Иными словами, аэростаты, выполняющие роль покрытия в определенной степени оставались игрушкой стихии, так же как и их предшественники – дирижабли.

Пытаясь бороться со стихией средствами автоматизации и компьютеризации, российский изобретатель Р.И. Билалов в 2006 году предложил сочетание аэростата и тента, притянутого по периметру своеобразной «шнуровкой» из большого количества канатов. Натяжение каждого каната производилось управляемой компьютером электролебедкой, что потребовало датчиков работы всех конструкций и датчиков изменения погодных условий  5 .

На этом исчерпывается история изобретений и официально зарегистрированных полезных моделей в данной области знания. Все предложенные в последующем тексте решения запатентованы автором статьи В.Н. Логвиновым  6 ÷ 11.

Из обзора патентов ясно, что терминология данной области не устоялась, что вполне естественно для неведомых еще конструкций. Одни и те же элементы в описании разных изобретений и полезных моделей назывались по-разному.

В первую очередь, это относится к главным несущим элементам покрытий легче воздуха. Они назывались: баллонами–аэростатами, несущими элементами, оболочками, просто аэростатами и даже загадочными пневмокрасными (вероятно пневмокаркасными) элементами.

Столь же разнообразны названия изобретений, названия покрытий и элементов их крепления. Путаницу вносит и терминология воздухоплавания, и невозможность применения терминологии строительства.

Большинство источников термин АЭРОСТАТ»'>«АЭРОСТАТ» - определяют как «летательный аппарат легче воздуха». А если он никуда летать не должен, а должен висеть, или точнее, «парить» над зданием или сооружением? Разве суть АЭРОСТАТА от этого измениться? Есть ли необходимость называть его как-то по-другому?

Вместо изобретения новых названий для давно известных устройств проще дать им более общее определение: АЭРОСТАТ - герметичная оболочка, наполненная газом легче воздуха или теплым воздухом.

Соответственно: АЭРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ – покрытие зданий и сооружений, в котором используются аэростаты в качестве несущего элемента конструкции.

Греческие корни слова aerostat – aer – воздух; states – стоящий, неподвижный, т.е. неподвижно стоящий в воздухе, дает основание считать, что это слово больше подходит к привязным аэростатам и к аэростатам покрытия, чем к летательным аппаратам.

Переводя этот термин на русский язык, можно дать еще более точное определение. Так как слова «стоящий», «стоять», «стойка» предполагает «стоящий на чем-то», а здесь покрытие ни на чем не стоит, то точный перевод слов «аэростатическое покрытие» - «воздухопарящее покрытие».

Отсюда более общее понятие «АЭРОСТИТИСТИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА» или «ВОЗДУХОПАРЯЩАЯ АРХИТЕКТУРА». Почему именно «архитектура», а не «конструкции» (по аналогии с «пневматическими конструкциями») будет объяснено в заключении к данной статье.

Перейдя на терминологию строительства, ясно, что и она нуждается в корректировке. Так распространенное понятие «большепролетное строительное покрытие», строго говоря, не применимо к аэростатическим покрытиям, т. к. почти воздухоплавательный термин «пролет» означает в строительстве расстояние между опорами, которых в данном случае просто нет. Кроме того само слово «строительное» не подходит к покрытию, которое может «приплыть» по воздуху к месту «причаливания» уже в готовом виде.

Аэростатическое покрытие это абсолютно новое и неизвестное явление, для обозначения которого нет еще слова ни в одном словаре, т.к. это «БЕЗОПОРНОЕ ПОКРЫТИЕ».

Для приведения понятийного аппарата к единообразию все работающие на растяжение крепежные элементы аэростатических покрытий (канаты, тросы, расчалки, фалы) предлагается называть «РАСТЯЖКАМИ». Все вертикальные элементы, используемые для стабилизации аэростатических покрытий (столбы, мачты, вышки), предлагается называть «СТОЙКАМИ», т.к. они стоят на земле и работают на сжатие, подобно обычным стойкам в стоечно-балочной системе.

Определение разных типов аэростатических покрытий и их элементов будут даны по ходу раскрытия их сути в следующих разделах.

Анализ всех запатентованных теоретических идей дает основание для систематизации, осмысления и развития идей нового направления архитектуры, лежащего на стыке ранее никогда не пересекавшихся областей: воздухоплавания и архитектуры, дирижаблестроения и строительства, конструирования аэростатов и архитектурно-строительного проектирования.

Возможно аэростатические покрытия – это новая страница истории архитектуры, буквально переворачивающая все устоявшиеся традиционные представления о весе конструкций, форме и образе зданий и сооружений.

Основываясь на известном свойстве аэростатов подниматься вверх за счет подъемной силы («отрицательного веса»), можно сформулировать задачи проектирования аэростатических покрытий как задачи выбора конкретных условий наиболее рациональных решений в части:

1. 
   способов стабилизации положения аэростатов;
   
2. 
   типов и форм аэростатических покрытия;
   
3. 
   типа внутренних конструкций аэростатов;
   
4. 
   материала оболочек;
   
5. 
   типа и вида оборудования, которым оснащается аэростатическое покрытие.
   

При этом должны решаться все задачи, обычно решаемые при проектировании любого строительного покрытия – задачи прочности и устойчивости, защиты от осадков, солнечной радиации, ветра, неблагоприятных температур, а также задачи функционального использования покрываемых пространств.

Выбор способа стабилизации является первоочередной и практически неизученной задачей проектирования аэростатических покрытий.

Теоретически стабилизировать аэростат в пространстве на заданной проектной высоте над покрываемым зданием или сооружением можно следующими способами:

- гибкой стабилизации;

- полужесткой пространственной стабилизации;

- жесткой стабилизации притягиванием к конструкциям здания или сооружения;

-жесткой стабилизации с помощью опор, прикрепленных к аэростату.

Первый, наиболее простой, способ гибкой стабилизации ― притяжение растяжками, закрепленными к земле или к конструкциям покрываемых зданий или сооружений.

Такое закрепление может производиться с помощью лебедок, домкратов или талрепов, регулирующих высоту подъема аэростата. Однако ограничение возможности аэростата подняться и улететь, не гарантирует от возможности опуститься ниже проектной отметки под влиянием нагрузок от дождя, снега, ветра, перепада температуры или давления воздуха.

Относительную гарантию от опускания аэростата может дать только значительный запас избыточной подъемной силы, рассчитанной на сочетание самых неблагоприятных вертикальных нагрузок.

Такой запас (или коэффициент перегрузки) автоматически ведет к увеличению объема и стоимости аэростата, что, обеспечивая его стабильное расположение по вертикали, не обеспечивает стабилизацию в горизонтальном направлении, о чем уже было сказано во втором разделе.

Смещение и наклон аэростата при порыве ветра представляет реальную угрозу повреждения или разрушения самого аэростата или конструкций покрываемых зданий при их столкновении. Кроме того, при гибкой стабилизации принципиально не решается вопрос о возможности предотвращения мгновенного падения оболочки аэростата в случае нарушения ее герметизации.

По сути, все ныне запатентованные решения используют только гибкий способ стабилизации, что является самым главным недостатком этих предложений.

Несмотря на все перечисленные органические недостатки этого способа стабилизации, его можно использовать в случаях, когда жесткое закрепление не обязательно, а между аэростатом покрытия и конструкциями покрываемого здания можно оставить значительный зазор, например во временных зданиях с летней эксплуатацией.

Обязательным условием такого способа стабилизации является то, что растяжки должны быть закреплены как в верхней части стоек, так и внизу к основанию стоек или к земле, либо к конструкциям нижележащих зданий или сооружений. Вместо стоек растяжки могут крепиться также к конструкциям близстоящих зданий. Устойчивость самой стойки также обеспечивается растяжками, притягивающими ее к земле или к конструкциям покрываемого сооружения.

В плане растяжки должны располагаться по периметру аэростатического покрытия и идти во взаимно перпендикулярных направлениях. Только при соблюдении всех перечисленных условий любые горизонтальные или вертикальные нагрузки в любых сочетаниях будут перераспределяться на растяжки и стойки, обеспечивая пространственную стабилизацию.

Вместо стоек растяжки могут крепиться к подъемным кранам, осуществлявшим возведение покрываемого здания или сооружения. Расположение и высота зданий или подъемных кранов должны отвечать условиям, предъявляемым к стойкам.

Отдельный вопрос – угол наклона растяжек к горизонту, Чем больше угол верхней растяжки, тем меньше сила натяжения и ее рабочее сечение. Но чем больше высота стойки, тем, следовательно, больше расход материалов.

Учитывая, что напряжение в стойке и ее сечение находятся в квадратичной зависимости от ее высоты, для верхних растяжек оптимальным представляется угол около 30^о к горизонтали. Для нижней растяжки этот угол может варьироваться в диапазоне от 45^о до 60^о к горизонтали.

К преимуществу полужесткого способа стабилизации можно отнести возможность изменения высоты расположения аэростата над покрываемым зданием или сооружением.

Стабилизация положения аэростата в пространстве при этом осуществляется путем синхронной натяжки и травления растяжек с помощь лебедок и системы блоков.

Это свойство позволяет усовершенствовать вышеописанный японский патент, обеспечив, кроме стабилизации, также «трансформацию крыши», что является обязательным условием спортивных арен летних олимпийских игр.

Всё же полужесткий способ стабилизации дает возможность незначительных перемещений аэростата покрытия за счет гибкости тросов и стоек.

В связи с этим можно рекомендовать этот способ, например для зданий сезонного использования или зданий в теплом климате, в которых в качестве вертикальных ограждающих конструкций могут использоваться тенты.

При применении полужесткого способа в зданиях круглогодичного использования стык стен здания с аэростатом должен быть гибким.

К безусловному достоинству описанного полужесткого способа стабилизации можно отнести принципиальную возможность предотвращения мгновенного падения оболочки аэростата в случае ее непредвиденной разгерметизации. Для предотвращения такого падения между стойками под аэростатом могут быть натянуты страховочные ванты, задерживающие оболочку на определенной высоте на время, необходимое для эвакуации.