Полимеры в строительстве сверхвысоких зданий

[Ruslan_Sharipov]

На сегодняшний день самое высокое здание в мире - это башня Бурж-Халифа, расположенная в Дубае (Объединённые Арабские Эмираты). Его высота 828 метров, не считая антенны, но считая шпиль высотой 244 метра. Следующим по очереди вероятно будет Башня Джидды в Саудовской Аравии. Его плановая высота 1 километр. Оно пока построено на треть плановой высоты.

 

Несущие колонны подобных зданий изготавливаются из стали. К ним крепятся межэтажные перекрытия и фасад из стеклянных панелей. Изготовление несущих колонн из армированного бетона при такой высоте зданий невозможно, ибо бетон у основания колонн не выдерживал бы нагрузки и трескался. Но и сталь тоже имеет определённые пределы прочности. Поэтому дальнейшие перспективы существенного увеличения высоты зданий связаны с использованием надувных несущих конструкций. Это определяется двумя аспектами:

1) газ существенно легче стали;

2) газ не трескается ни при каком давлении.

Разумеется, использование газа в несущей конструкции имеет свои нюансы. Для того чтобы газ выполнял несущие функции, его надо заключить в определённый объем и удерживать в нём, предотвращая утечки. Газ передаёт вертикальную нагрузку во все стороны, в том числе и на боковые стенки удерживающего объёма, создавая проблему высокой прочности боковых стенок. Оказывается эта проблема решаемая. Уже для самой стали её прочность на разрыв в 1.6 раза больше, чем её прочность на сжатие. Но оказывается есть полимеры, которые во много раз прочнее на разрыв, чем сталь. Например, кевлар. Он в 14.5 раза прочнее на разрыв, чем сталь.

 

Надувные сооружения используются давно. Например, очень популярны надувные детские горки из резины. Трудно сказать, кто первый начал строить такие сооружения. Идея строительства сверхвысоких надувных башен принадлежит А. А. Болонкину:

 

[1]. Bolonkin A. A., Optimal inflatable space towers with 3-100 km  height, Journal of the British Interplanetary Society, V. 56(2003) P. 87-97;

[2]. Bolonkin A. A., Optimal solid space tower, e-print arXiv:physics/0701093 (2007).

 

Есть также группа канадцев

 

[3]. Seth R. K., Quine B. M., Zhu Z. H., Feasibility of 20 km  free-standing inflatable space tower, Journal of the British Interplanetary Society V. 62(2009), P. 342-353,

 

один из которых получил патент US 9085987 B2 на эту тему. Несмотря на полученный патент, проделанные в [1-3] расчеты не вполне законченные. Они не содержат расчёта вертикальных нагрузок в стенках надувного сооружения. Этим летом летом я проделал все расчёты для вертикальной надувной колонны диаметром 1 метр, сделанной из резины, армированной кевларом, и разделённой горизонтальными стальными платформами на сегменты высотой по 3 метра:

 

[4]. Sharipov R. A., On upper limits for the height of inflated towers, e-print viXra:2008.0185 (2020).

 

Результаты расчётов можно представить в виде таблицы

Газ-наполнитель	гелий	азот
Вес полезного груза на вершине (на одну колонну) в тоннах	20	20
Число сегментов (этажность)	2391	1878
Высота сооружения в метрах	7173	5634
Вес полезного груза (на одну колонну) в тоннах	1726	1336
Полный вес колонны с полезным грузом в тоннах (без учёта веса газа)	3433	2653
Давление колонны на фундамент в мегапаскалях	45,2	45,2

В расчётах заложен четырёхкратный запас прочности. Оказалось, что высота колонны лимитируется не прочностью кевлара, а прочностью резины, удерживающей газ. Я спрашивал о прочности резины (compressive yield strength of rubber) в отдельной теме: Нужны тензометрические данные по кевлару и резине. Данные по кевлару найти удалось, а по резине - нет. Пришлось пойти на хитрость - использовать данные производителей резиновых изделий, а именно шлангов высокого давления. Величина 45,2 МПа в таблице - это лучший результат по внутреннему рабочему давлению в шланге при четырёхкратном запасе прочности для шланга. Шлангов с кевларовой оплётке никто не производит. Возможно для них внутреннее рабочее давление может быть выше 45,2 МПа. И это дало бы большие оценки на высоту надувных колонн описанной выше конструкции.

 

В связи с изложенным прошу сообщить, возможно кто-то может назвать эластомеры с прочностью на сжатие значительно более высокой, чем у резины.