Konstrukcja podparta powietrzem - Air-supported structure

Kopuła pneumatyczna wykorzystywana jako obiekt sportowo-rekreacyjny

Konstrukcja podparta powietrzem (lub napompowana powietrzem) to każdy budynek, który swoją integralność strukturalną wywodzi z użycia wewnętrznego sprężonego powietrza do nadmuchania elastycznej powłoki z materiału (tj. tkaniny konstrukcyjnej) , tak aby powietrze było głównym podparciem konstrukcji, oraz gdzie dostęp jest przez śluzy powietrzne.

Koncepcja została wdrożona na dużą skalę przez Davida H. Geigera w pawilonie Stanów Zjednoczonych na Expo '70 w Osace w Japonii w 1970 roku.

Zwykle ma kształt kopuły , ponieważ ten kształt tworzy największą objętość przy najmniejszej ilości materiału. Aby zachować integralność konstrukcyjną, konstrukcja musi być pod ciśnieniem tak, aby ciśnienie wewnętrzne było równe lub przekraczało wszelkie ciśnienie zewnętrzne wywierane na konstrukcję (tj. ciśnienie wiatru ). Konstrukcja nie musi być szczelna, aby zachować integralność strukturalną — tak długo, jak system ciśnieniowy, który dostarcza ciśnienie wewnętrzne, zastępuje wszelkie wycieki powietrza, konstrukcja pozostanie stabilna. Wszelki dostęp do wnętrza konstrukcji musi być wyposażony w jakąś śluzę powietrzną - zazwyczaj dwa zestawy równoległych drzwi lub drzwi obrotowe lub oba. Konstrukcje podparte powietrzem są zabezpieczone ciężkimi ciężarami na ziemi, kotwami gruntowymi , mocowaniem do fundamentu lub ich kombinacją.

Wśród jego wielu zastosowań są: obiekty sportowo-rekreacyjne, magazyny , wiaty tymczasowe i kopuły . Konstrukcja może być podparta powietrzem w całości, częściowo lub tylko na dachu. Całkowicie podparta powietrzem konstrukcja może być przewidziana jako obiekt tymczasowy, pół-tymczasowy lub stały, podczas gdy konstrukcja z tylko podpartym powietrzem dachem może być zbudowana jako budynek stały.

W kampusie IBM w East Fishkill w stanie Nowy Jork budowana jest obecnie największa na świecie kopuła wspomagana powietrzem . Otwarcie zaplanowane na 2019 r. (dwukrotne opóźnienie), Sports KingDome będzie miało sufit o wysokości 160 stóp (49 m) i 350 000 stóp kwadratowych (33 000 m 2 ) powierzchni treningowej dla lekkoatletyki.

Projekt

Kształt

Kształt konstrukcji z podparciem pneumatycznym jest ograniczony koniecznością równomiernego dociskania całej powierzchni powłoki . Jeśli tak nie jest, struktura będzie nierównomiernie podparta, tworząc zmarszczki i punkty naprężeń w giętkiej powłoce, co z kolei może spowodować jej awarię.

W praktyce każda napompowana powierzchnia wiąże się z podwójną krzywizną. Dlatego najczęstszymi kształtami konstrukcji podpartych powietrzem są półkule, owale i półwalce.

Struktura

Główne obciążenia działające na powłokę podpartą powietrzem to wewnętrzne ciśnienie powietrza, wiatr lub ciężar nagromadzony przez śnieg. Aby zrekompensować siłę wiatru i obciążenie śniegiem, odpowiednio dostosowuje się napompowanie konstrukcji. Nowoczesne konstrukcje mają sterowane komputerowo systemy mechaniczne, które monitorują obciążenia dynamiczne i automatycznie kompensują je inflacją. Im lepsza jakość konstrukcji, tym większe siły i ciężar może wytrzymać. Najwyższej jakości konstrukcje mogą wytrzymać wiatry do 120 mph (190 km/h) i masę śniegu do 40 funtów na jard kwadratowy (21,7 kilograma na metr kwadratowy).

Wnętrze Tokyo Dome ilustruje, jak duży obszar można objąć dachem podpartym powietrzem.

Ciśnienie powietrza na powłoce jest równe ciśnieniu wywieranemu na wewnętrzną powierzchnię gruntu, wypychając całą konstrukcję do góry. Dlatego musi być solidnie zakotwiony do podłoża (lub do konstrukcji nośnej w przypadku konstrukcji dachowej).

W przypadku konstrukcji o dużej rozpiętości wymagane są kable do kotwienia i stabilizacji. Kotwienie wymaga balastu (ciężarów). Wczesne projekty kotwienia obejmowały worki z piaskiem, bloki betonowe, cegły lub tym podobne, zwykle umieszczane na obwodzie na obrzeżu uszczelki. Większość nowoczesnych konstrukcji projektowych wykorzystuje autorskie systemy kotwienia.

Niebezpieczeństwo nagłego zawalenia się jest prawie znikome, ponieważ konstrukcja będzie się stopniowo odkształcać lub zwisać pod wpływem dużego obciążenia lub siły (śnieg lub wiatr). Tylko wtedy, gdy te znaki ostrzegawcze zostaną zignorowane lub niezauważone, nagromadzenie ekstremalnego obciążenia może rozerwać powłokę, prowadząc do nagłej deflacji i zawalenia.

Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że te struktury nie mają być stałymi obiektami, jednak wszystkie duże korporacje działające w tej branży przestrzegają jakiejś formy Międzynarodowych Kodeksów Budowlanych. Aby być stałym obiektem, kopuły muszą być zaprojektowane zgodnie z tymi samymi przepisami budowlanymi, co tradycyjna konstrukcja.

Konstrukcje lub kopuły podtrzymywane powietrzem są również powszechnie znane jako „bąbelki”.

Materiał

Materiały stosowane w konstrukcjach pneumatycznych są podobne do materiałów stosowanych w konstrukcjach rozciąganych , a mianowicie tkanin syntetycznych, takich jak włókno szklane i poliester . Aby zapobiec niszczeniu pod wpływem wilgoci i promieniowania ultrafioletowego , materiały te są powlekane polimerami, takimi jak PVC i Teflon .

W zależności od zastosowania i lokalizacji, konstrukcja może posiadać wewnętrzne okładziny wykonane z lżejszych materiałów do izolacji lub akustyki. Materiały stosowane w nowoczesnych konstrukcjach powietrznych są zazwyczaj prześwitujące, dlatego zastosowanie systemu oświetlenia wewnątrz konstrukcji nie jest wymagane w ciągu dnia.

Ciśnienie powietrza

Wewnętrzne ciśnienie powietrza wymagane w przypadku konstrukcji z podparciem powietrznym nie jest tak wysokie, jak większość ludzi się spodziewa i na pewno nie jest wyczuwalne w środku. Wymagane ciśnienie jest funkcją ciężaru materiału – i zawieszonych na nim systemów budowlanych (oświetlenie, wentylacja itp.) – oraz naporu wiatru. Jednak to tylko niewielki ułamek ciśnienia atmosferycznego . Ciśnienie wewnętrzne jest zwykle mierzone w calach wody , inAq i zmienia się ułamkowo od 0,3 inAq dla minimalnego napełnienia do 3 inAq dla maksymalnego, przy czym 1 inAq jest standardowym poziomem ciśnienia dla normalnych warunków pracy. Jeśli chodzi o bardziej powszechne funty na cal kwadratowy , 1 inAq odpowiada zaledwie 0,037 psi (2,54 mBar, 254 Pa).

Godne uwagi kopuły podtrzymywane powietrzem

W eksploatacji

Dawne godne uwagi kopuły

Podobne koncepcje

  • Sterowce , zastosowanie tej techniki do sterowców , wykorzystujące różnicę ciśnień między ich gazem unoszącym a atmosferą zewnętrzną w celu zapewnienia integralności strukturalnej.
  • Zbiorniki balonowe , zastosowanie tej techniki do rakiet, wykorzystujące ciśnienie w zbiorniku do zwiększenia sztywności.

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Media związane z nadmuchiwanymi budynkami w Wikimedia Commons