Пневматическими конструкциями зданий и сооружений являются мягкие оболочки или цилиндры, выполненные из воздухонепроницаемых тканей или армированных синтетических пленок, например из прочной армированной виниловой ткани. Несущая способность пневматических конструкций обеспечивается или поддерживается избыточным давлением воздуха или под оболочками, или внутри их несущих элементов. Эти конструкции изобретены в 40-х годах XX в. и их начали применять в качестве несущих и ограждающих конструкций на различных объектах — спортивных сооружениях (теннисных кортах, хоккейных площадках, бассейнах), выставках, цирках, аквапарках, производственных зданиях и др. (рис.1).
Существенными достоинствами пневматических конструкций являются их небольшие масса (0,5–3,0 кг/м2) и объем в нерабочем (ненадутом) состоянии, что значительно облегчает транспортировку и монтаж без сложных подъемно-транспортных средств. Так, например, на подготовку ровной площадки и фундамента под пневматическую конструкцию требуется примерно до одного месяца, а на ее монтаж и нагнетание воздуха до рабочего давления — 1–2 дня. К тому же такие конструкции характеризуются невысокой стоимостью. В зависимости от конструктивного решения и исполнения и способа обеспечения несущей способности различают воздухоопорные и воздухонесомые пневматические конструкции.
Воздухоопорные конструкции чаще всего представляют собой сооружения в виде оболочек цилиндрической или сферической формы, которые поддерживаются в рабочем положении избыточным (от 0,002 до 0,005 МПа) давлением воздуха под оболочками, нагнетаемого, например, вентиляторами. Кроме цилиндрических и сферических форм воздухоопорные оболочки могут иметь и более сложные гиперболические или параболические формы или состоять из нескольких поверхностей.
Воздухоопорные оболочки цилиндрической формы могут перекрывать пролеты до 40 м со стрелой подъема от 3/8 до 1/2 их пролета, а длина таких оболочек — без ограничения. Непрерывная подача воздуха под оболочку с автоматическим контролем величины внутреннего давления снижает требования по обеспечению высокой герметизации всей конструкции. Торцы воздухоопорных оболочек выполняют сферической или цилиндрической формы (рис. 2).
В состав воздухоопорных оболочек входят следующие составные элементы: входные-выходные и грузовые шлюзы, оболочки, поддерживаемые избыточным давлением воздуха, вентиляторы для нагнетания воздуха и колориферы для подачи теплого воздуха под оболочки при необходимости обогрева помещения (рис. 3). Как правило, шлюзы выполняются каркасными, обтянутыми той же тканью, что и оболочки, и их соединяют с оболочками тканевыми переходниками. Шлюзы оборудуются входными дверями или турникетами-вертушками, имеющими высокую пропускную способность. Грузы в воздухоопорные сооружения перемещаются через грузовые шлюзы, а для загрузки и выгрузки сыпучих материалов используется пневмотранспорт. Пневматические оболочки могут снабжаться светопрозрачными воздухонепроницаемыми вставками из синтетических пленок для естественного освещения подоболочного пространства.
Внизу воздухоопорные оболочки снабжаются силовым поясом, которым они крепятся к фундаменту или основанию для исключения их отрыва от земли силой, вызванной избыточным давлением воздуха под оболочками. Силовой пояс состоит из элементов крепления оболочки к фундаменту или основанию и наружного и внутреннего фартуков, выполненных из той же ткани, что и оболочки. Фартуки предназначены для уменьшения утечки воздуха из-под силового пояса. При этом наружный фартук прикапывается (присыпается) землей или закапывается в землю снаружи оболочки, а внутренний заводят под пол (рис. 3).
Воздухоопорные оболочки крепятся к элементам фундамента с помощью прижимных планок и болтовых соединений с соответствующим уплотнением, а при отсутствии фундамента — к грунтовому основанию посредством анкеров с проушинами (в виде штырей, винтовых свай и др.), закрепленных в грунте. В этом случае оболочки в силовом поясе снабжаются кулисками для пропуска распределительных элементов, крепящихся к серьгам анкеров (рис. 4.). Кроме крепления к анкерным винтовым сваям и бетонным ленточным фундаментам воздухоопорные оболочки могут придавливаться к основанию (земле) водоналивными балластными баллонами.
Воздухоопорные оболочки устраивают однослойными или двухслойными, при этом двухслойные представляют собой оболочку в оболочке. В такой конструкции пространство между оболочками заполняется воздухом, что обеспечивает существенное снижение теплопотерь и соответственно расходы на отопление, а также защиту от образования конденсата на внутренней поверхности оболочки в холодное и перегрева в жаркое время года. При снегопаде воздух между оболочками стравливается и вследствие этого обеспечивается подогрев наружной оболочки и таяние на ней снега. Двухслойные оболочки изготавливаются из многослойного пластомера, армированного кордом из суперпрочного полиэстера и покрытого поливинилхлоридом. Такой материал имеет достаточную стойкость к ультрафиолетовому излучению и может эксплуатироваться при температуре от -30°С до +60 °С. На рис. 5 показан внешний вид двухоболочковой воздухоопрной конструкции над теннисным кортом в г. Минске.
Воздухонесомые пневматические конструкции устраивают в виде наполненных воздухом пневмокаркасов из удлиненных криволинейных цилиндров, пневмоматов или пневмолинз. Пневмокаркасы и пневмоматы чаще используются в форме арок, а пневмолинзы — в форме дисков, подвешенных к вертикальным несущим конструкциям в качестве кровли-покрытия (рис. 2.). Отношение толщины пневмолинзы h к перекрываемому пролету L обычно составляет от 1/7 до 1/5.
Пневмоарочные каркасы состоят из криволинейных цилиндров, наполненных воздухом с избыточным давлением от 0,03 до 0,07 МПа. Пневмоарки устанавливают вплотную друг к другу или с шагом 3–4 м, а для придания устойчивости связывают между собой растяжками. По верху примыкающих друг к другу арок или арок с растяжками укладывают покрытие из водонепроницаемых ткани или армированной пленки. Для обеспечения общей устойчивости пневмоарочных систем их крепят оттяжками к анкерам у торцов сооружения. Диаметр цилиндров пневмоарок от 1/55 до 1/25 перекрываемого пролета, а величина пролета от 12 до 18 м.
Пневмоматы и пневмолинзы изготавливаются из цельных воздухонепроницаемых полотнищ, по-особому раскроенных и скрепленных, и они одновременно являются несущими и ограждающими конструкциями, так как не имеют сверху покрывающих элементов. Пневмоматы чаще выпускают арочной конструкции, а пневмолинзы — в виде дисков.
В сооружения с воздухонесомыми пневматическими конструкциями не требуется устройства шлюзов и непрерывной подачи воздуха под покрытие, но, с другой стороны, такие конструкции дороже воздухоопроных и более трудоемки при монтаже.