Введение

Тонкая оболочка, отлитая единым способом.

Монолитный купол (от греческих слов «моно» и «литический», означающих «один камень») – это тонкая оболочка, отлитая единым способом. Форма может быть постоянной или временной и может оставаться частью готовой конструкции или не оставаться ею. Монолитные купола являются формой монолитной архитектуры.

История

Иглу, возможно, является самой ранней формой монолитного купола. Хотя он построен из блоков сжатого снега, эти блоки плавятся и повторно замерзают, образуя прочную, однородную структуру. Куполообразная форма иглу демонстрирует два основных преимущества куполообразной конструкции: высокую прочность и хорошую теплоизоляцию. Прочность обусловлена естественной прочностью арки, а теплоизоляция – минимальной площадью поверхности сферического сегмента. Первая современная монолитная купольная конструкция была построена в Прово, штат Юта, архитектором Ли К. Кнеллом и открыта в 1963 году как каток. После преобразования в 1967 году в универсальный магазин новым владельцем Полом Римом здание получило название Turtle Reams и простояло до 2006 года, когда было снесено для нового строительства. Turtle Reams был построен путем создания земляного вала желаемой формы оболочки – эллипсоидального сечения длиной 240 футов (73 м), шириной 160 футов (49 м) и высотой 40 футов (12 м). Затем вал покрыли сеткой из арматуры для придания прочности и слоем бетона определенной толщины. После затвердевания бетона землю выкопали через дверные проемы, оставив крышу на месте. Затем был залитый пол, завершивший строительство. Сегодня монолитные купола используются в различных жилых, коммерческих и промышленных проектах. Благодаря прочности, долговечности и экономичности они применяются для хранения больших объемов различных товаров в цементной, удобренной, сельскохозяйственной, энергетической и горнодобывающей отраслях. Благодаря своей структурной целостности они используются в качестве защитных сооружений на некоторых атомных электростанциях. Конструкции создавались практически из всех распространенных строительных материалов, включая ткани, поддерживаемые воздушным давлением.

Современные методы строительства

Современное строительство существенно отличается от первоначального метода "бетон прямо на грунт". Современные методы были разработаны тремя братьями из Айдахо: Дэвидом, Барри и Рэнди Саут. Первый купол, построенный с использованием этих методов, был возведен в апреле 1976 года в городе Шелли, штат Айдахо:

Строится армированный бетонный фундамент, или "кольцевая балка", определяющая форму основания конструкции. Тканевая или воздушная форма крепится к фундаменту и надувается воздушным вентилятором. Воздушная форма содержит воздушный шлюз, позволяющий рабочим входить внутрь во время надувания. На внутреннюю поверхность формы наносится слой полиуретановой пены. (Ее назначение – придать жесткость воздушной форме, зафиксировать арматуру, обеспечить опору при нанесении бетонной смеси и изолировать готовую конструкцию.) Арматура крепится к внешнему слою пены с помощью клипс, которые крепятся к пене. На арматурный каркас наносится несколько дюймов бетона. После затвердевания бетона вентилятор выключается. Открытая поверхность воздушной формы может быть оставлена без изменений, либо может быть нанесено финишное покрытие, такое как краска, плитка и т.д. (Правильный выбор материала для воздушной формы обеспечит защиту от долгосрочной деградации под воздействием ультрафиолетового излучения.) В случаях, когда требуется экономичное строительство нескольких небольших и простых жилых помещений, купол можно построить без изоляции, а воздушную форму после завершения строительства можно снять и повторно использовать для возведения дополнительных куполов.

Прочность

Купол, после завершения строительства, устойчив к землетрясениям, торнадо и ураганам (Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями США оценивает его как обеспечивающий "почти абсолютную защиту" от торнадо F5 и ураганов 5-й категории). Недавно ряд монолитных куполов, построенных по технологии MDI, выдержали серьезные стихийные бедствия: несколько монолитных куполов во Флориде пережили прямое попадание урагана "Катрина" в 2005 году. Многие монолитные купола оказались в зоне лесных пожаров 2005 и 2006 годов в Оклахоме и Техасе и выжили, получив лишь незначительные обугленные участки внешней пеноизоляции. В 2003 году монолитное купольное здание правительства в Ираке выдержало прямое попадание бомбы. Внутреннее пространство было полностью разрушено, но купол остался стоять (см. иллюстрацию). Демонтаж "Reams’ Turtle" также продемонстрировал прочность монолитной купольной конструкции. Разрушительный шар снес полосу шириной в несколько футов по периметру сооружения, не вызвав обрушения. Купол опрокинулся и обрушился только после разрушения дверного проема с одной стороны.

Контроль климата

Монолитный купол, по ряду причин, очень энергоэффективен. Сферические секции купола имеют минимальную площадь поверхности при заданном объеме, что снижает площадь теплообмена с наружным воздухом. Цельнолитая конструкция монолитного купола также устраняет множество швов, через которые может происходить утечка воздуха, хотя в жилых куполах это частично компенсируется установкой нескольких дверей и окон. Размещение изоляционной пены снаружи бетонной оболочки позволяет бетону выступать в качестве теплоаккумулятора внутри здания, значительно снижая колебания внутренней температуры по сравнению с традиционной изоляцией в домах с кирпичной или каменной облицовкой.

Недостатки

Хотя монолитный купол обладает множеством подтвержденных инженерных преимуществ, существуют также и некоторые недостатки, как в инженерном плане, так и в социальном.

Инженерная

Методы, используемые при строительстве монолитных куполов, значительно отличаются от традиционных методов строительства, поэтому для возведения купола с применением современных технологий требуются только специально обученные строительные бригады. Изогнутые поверхности, характерные для монолитных куполов, часто приводят к образованию комнат неправильной формы при их разделении на помещения, что может вызывать неэффективное использование пространства в узких углах. Возникают проблемы с потерей полезной площади из-за кривизны стен и сложности в расстановке мебели, схожие с теми, что наблюдаются в купольных сооружениях типа "Квонсет". Этот эффект можно минимизировать, возводя купол на цокольном основании или используя оболочку (airform) такой формы, которая позволит создать прямые вертикальные стены на уровне земли. Отсутствие швов в монолитном куполе может приводить к чрезмерной герметичности, поэтому во всех климатах, кроме самых сухих, требуется использование осушителей воздуха.

Социальные

Социальные недостатки монолитных куполов во многом свойственны и геодезическим куполам из-за схожей формы и нетрадиционной конструкции. Эти недостатки заключаются в следующем: радикально отличающийся внешний вид куполов снижает их привлекательность для использования в качестве частных домов – стандартное круглое основание плохо вписывается в небольшие участки, распространенные во многих районах, а необычный внешний вид и дизайн могут нарушать строительные нормы и правила, действующие в жилых районах. В зависимости от ситуации, различные варианты, отличающиеся от стандартной круглой формы, могут помочь избежать некоторых из этих проблем. Получение разрешения на строительство может быть затруднено, если местные власти не знакомы с технологией возведения монолитных куполов. Перепродажа дома-купола может быть сложной из-за его нетрадиционного внешнего вида.

Записи строительства

Самый большой монолитный купол в мире является домом для христианского центра Faith Chapel в Бирмингеме, штат Алабама, высотой 72 фута (22 м) и диаметром 280 футов (85 м). Внутри располагается двухэтажная площадь пола. Некоторые населенные пункты в Соединенных Штатах выбрали технологию монолитных куполов для строительства новых школ. Карту недавно построенных школ с монолитными куполами можно найти здесь:

Жилой дом, монолитный "Купол дома" в Пенсакола-Бич, штат Флорида, выдержал несколько ураганов с момента постройки.