Przekrycia prętowo-cięgnowe skrót PDF

Preview

Summary

Download Przekrycia prętowo-cięgnowe skrót PDF

Description

Konstrukcje prętowo-cięgnowe to układy złożone z wiotkich cięgien i membran zdolnych do przenoszenia wyłącznie oddziaływań rozciągających oraz krępych prętów ściskanych. Charakteryzują się one efektywnym wykorzystaniem cech wytrzymałościowych materiałów. Na ich formę wpływa na ogół również układ obciążeń zewnętrznych. Z tego powodu projektowanie architektury i konstrukcji odbywa się równolegle przy zastosowaniu zaawansowanych technik obliczeniowych.

Ogólny podział przekryć prętowo-cięgnowych Podział wynikający ze sposobu zapewnienia stateczności konstrukcji. - układy płaskie (ang. plane structure), które przenoszą większość obciążeń pionowych oraz te spośród obciążeń poziomych, których wypadkowa działa w płaszczyźnie układu, pozostałe obciążenia poziome przejmują stężenia zapewniające przestrzenną sztywność układu; - układy przestrzenne (ang. spatial structure lub space structure), w których układ podstawowy przejmuje wszystkie obciążenia i zapewnia sztywność przestrzenną całej konstrukcji.

Układ płaski - wiązary cięgnowe dachu nad lodowiskiem w Memmingen, Niemcy (1988), autorzy: Schlaich & Bergermann

Układ przestrzenny - kombinacja elementów prętowych i ciągłych, zadaszenie amfiteatru 1000m2, Eagle Point, Grand Canyon, USA

1

Klasyfikacja przekryć z uwagi na sposób zapewnienia stateczności konstrukcji Struktury samostateczne (ang. self-balancing), w których konstrukcja podtrzymująca cięgna ma geometrię pozwalającą na wewnętrzne zrównoważenie sił występujących w cięgnach.

2

Struktura samostateczna dachu Olimpijskiego Velodromu w Atenach (2004), architektura i konstrukcja: Santiago Calatrava

Struktury niesamostateczne (ang. non-self-balancing) w przypadku których geometria układu podtrzymującego dach budynku nie jest w stanie przenosić sił występujących w cięgnach bez pomocy dodatkowych zakotwień w gruncie.

Struktura niesamostateczna dachu Stadionu Juventusu w Turynie (2009-11), arch. H. Suarez, konstrukcja: Massimo Majowiecki

Klasyfikacja ze względu na kształt rzutu obiektu i sposób przekrywania: Przekrycia „otwarte”, które mogą mieć rzut podłużny, lub np. stanowiący wycinek koła. Schemat pracy statycznej takich przekryć może być płaski lub przestrzenny. Przekrycia „zamknięte”, bądź „częściowo zamknięte” z wewnętrznym otworem. W tym wypadku schemat pracy statycznej jest najczęściej przestrzenny.

3

Przekrycie otwarte. Jeju World Cup Stadium, Seogwipo, Korea Południowa (2001)

Przekrycie częściowo zamknięte. Stadion „Olimpijskij” w Kijowie (2011)

Należy zaznaczyć, że wielu układów konstrukcyjnych zastosowanych w obiektach przedstawionych w dalszej części trudno zakwalifikować do tylko jednego systemu. Tego typu układy nazywane są potocznie konstrukcjami hybrydowymi.

Systemy prętowo-cięgnowe przekryć W zależności od konstrukcji można je podzielić na trzy zasadnicze grupy: linowe, powłokowe i błonowe (membranowe). a. Przekrycia linowe (ang. cable structures), w których liny nośne pracują niezależnie od warstwy pokrycia. W przekryciach wiszących linowych z pokryciem ułożonym na cięgnach, cięgna ukryte są w przekroju pokrycia. Natomiast w układach z pokryciem zawieszonym cięgna przebiegają ponad pokryciem, na zewnątrz przestrzeni obudowanej. W grupie wiszących przekryć linowych wyróżniamy: - konstrukcje ze swobodnie wiszącymi cięgnami; - dachy wiszące oraz podwieszone do masztów, pylonów lub łuków; - układy linowe napięte. Konstrukcje ze swobodnie wiszącymi cięgnami (ang. simply suspended cable structures). Pokrycie dachów na rzucie prostokątnym lub trapezowym oparte jest na szeregu cięgien wiszących swobodnie. W przypadku dachów na rzucie okrągłym lub eliptycznym cięgna są podwieszone promieniście na obwodzie dachu do ściskanego pierścienia i w środku do pierścienia rozciąganego.

b

a

Schematy dachów z cięgnami wiszącymi swobodnie w układzie: a) równoległym, b) radialnym

Dach z cięgnami wiszącymi swobodnie w układzie równoległym: Dulles International Airport, Washington (1958-63), arch. Eero Saarinen, konstr. Amman & Whitney. Rozpiętość dachu 45,7 m.

4

Hala nr 28 w Hanowerze, Niemcy (1996), arch. Herzog+Partner, München, konstr. Schlaich Bergermann & Partner. Rozpiętość 3 × 55 m.

Szklany dach na swobodnie wiszących cięgnach, Baden, Austria (1999), arch. Projektgemeinschaft Römertherme, konstr. Schlaich Bergermann & Partner

Dach z cięgnami wiszącymi swobodnie w układzie radialnym: Madison Square Garden, New York (1968), arch. Ch. Luckman, konstr. Severud Associates

5

Dachy wiszące (ang. suspension roof), wywodzą się z tradycyjnych konstrukcji mostowych, ze swobodnie podwieszonymi do pylonów cięgnami nośnymi i układem pionowych wieszaków niosących dźwigary.

6 Dach wiszący fabryki papieru Burgo, Mantua, Włochy, autor: Pier Luigi Nervi (1960)

Europahalle, Karlsruhe (1983), arch. Schmitt, Kasimir + Partner

RheinEnergieStadion, Köln, Niemcy (2004), arch. Gerkan, Marg und Partner, konstr. Schlaich Bergerman und Partner. Rozpiętość 165 m. Wysokość pylonów 65 m.

Audi A 50, Ingolstadt, Niemcy (2001), arch. Ahlheim Nebe Schoofs, Darmstadt, konstr. Schlaich Bergermann&Partner. Rozpiętość 24 m.

Dachy podwieszone do masztów lub pylonów (ang. cable-stayed roof) z cięgnami sprężonymi, które są usytuowane ukośnie do płaszczyzny dźwigara, ułożenie cięgien bywa, podobnie jak w przypadku podwieszonych mostów: promieniste, harfowe, wachlarzowe lub też jest kombinacją kilku różnych układów. Ze względu na stopień zagęszczenia cięgien można wymienione wyżej układy podzielić na charakteryzujące się olinowaniem rzadkim lub gęstym.

7

Pawilon radziecki na wystawie Expo’58 w Brukseli.

Blyth Arena, Squaw Valley Olympic Skating Rink, California (1959), arch. Corlett & Spackman, Kitchen & Hunt, konstr. H. J. Brunnier, John Sardis

8

Renault Distribution Centre, Swindon, UK, autor: Norman Foster (1980-82),

Fabryka IGUS w Köln, Niemcy (1994), arch. Nicholas Grimshaw

9

Alamodome, San Antonio, Texas (1990-93), arch. HOK Sport, Marmon, Simpson, konstr. W. E. Simpson, D. Wellner

Żelbetowe pylony o wysokości 90 m, ustawione w narożach. Pylony mają przekrój ośmiokąta foremnego o długości boku 4,5 m i grubości ścianki 91,5 cm. Dwa główne dźwigary nośne dachu o rozpiętości po 115,3 m, z cięgnowymi pasami dolnymi podwieszone są do pylonów.

Warianty podwieszonych przekryć obiektów sportowych (opis w tekście): - Sydney SuperDome (1999), arch.: Abigroup Ltd & Obayashi Corporation, konstr.: Taylor Thomson Whitting - Westfalenstadion w Dortmundzie (2006), arch: Architekten Schroder Schulte-Ladbeck Strothmann

W przypadku przekryć błonowych (membranowych) spotykane są konstrukcje wsporcze typu podwieszonego w trzech wariantach.

10

The O2 (Millenium Dome), Greenwich, Londyn (1998-99), arch. Richard Rogers Partnership, konstr. Buro Happold,

Kołowy rzut o średnicy 365 m i wysokości wnętrza 50 m dla pomieszczenia wystawy uświetniającej rozpoczęcie trzeciego tysiąclecia Na 12 masztach wysokich na 100 m podwieszony został cięgnowy ustrój tworzący siatkę, na której następnie rozpięto membranę przekrywającą halę. Rozpiętość dachu mierzona między punktami podparcia masztów wynosi 206 m.

Podwieszone konstrukcje membranowe: - Shanghai International Circuit (2004), arch. Hermann Tilke, - National Sport Complex – Swimming Pool, Kuala Lumpur, Malezja (1995-98), arch. Weidleplan, Stuttgart, konstr. Schlaich Bergermann & Partner

Dachy podwieszone do łuków (ang. arch cable-stayed roof) z cięgnami sprężonymi, które są usytuowane ukośnie do płaszczyzny dźwigara. Konstrukcje te wywodzą się od mostów łukowych (ang. tied arch bridge), które zostaną w skrócie przedstawione w dalszej części dysertacji.

11

Stadion Olimpijski, Ateny (2002-4), arch. Santiago Calatrava. Rozpiętość łuków 304 m.

Moses Mabhida Stadium, Durban, Afryka Południowa (2009), arch. Architekten von Gerkan, Marg & Partner, konstr. Schlaich Bergermann & Partner

Ordos Dongsheng Stadium, Durban, Chiny (2011), projekt: China Architecture Design Group

Układy linowe napięte (ang. pretensioned cable beams) płaskie powstają przez uzupełnienie cięgien nośnych dodatkowymi cięgnami sprężającymi o odwrotnej krzywiźnie.

12

Schematy układów linowych napiętych: a) Wypukły, b) Wklęsły, c) Wypukło - wklęsły

We wszystkich trzech układach cięgna wklęsłe pełnią rolę nośną, a wypukłe ku górze są cięgnami sprężającymi. Natomiast elementy łączące, umieszczone poprzecznie między cięgnami, w wariancie „a” są ściskane, w wariancie „b” rozciągane, a w wariancie „c” dwa skrajne są rozciągane, a pozostałe ściskane. Szwedzki inżynier David Jawerth zmodyfikował układ linowy wklęsły. Wiązar Jawerth’a stosowano w przekryciach o rozpiętościach od 15 do 100 m.

Wiązar Jawerth’a ze skośnymi cięgnami łączącymi: Rodahal, sala koncertowa w Kerkrade, Holandia (1966), dach o rozpiętości 61 m, arch. Janssen, konstr.: David Jawerth

Ustroje pierścieniowo-linowe typu koła rowerowego (ang. spoked-wheel roof) powstają po radialnym rozmieszczeniu płaskich układów linowych między pierścieniami: ściskanym zewnętrznym i rozciąganym wewnętrznym.

a

b

c

13

Schematy radialnych układów linowych napiętych: a) Wypukły, b) Wklęsły, c) Wypukło - wklęsły

Radialny wypukły układ linowy napięty: Tauron Arena w Krakowie (2014), proj. Perbo – Projekt / M C S Sp. z o.o, arch. P. Łabowicz, M. Kulpa, W. Ryżyński,

Ustroje pierścieniowo-linowe okazały się doskonałym rozwiązaniem dla przekryć o rzucie: okrągłym dla aren, owalnym dla stadionów lekkoatletycznych lub zbliżonym do prostokąta dla boisk piłkarskich. Etapy rozwojowe tego systemu:

a

b

c

Rozwój systemu „koła rowerowego”. Zamiast jednej centralnej „piasty”: a) jeden lub, b) dwa dodatkowe pierścienie rozciągane, c) owalna forma układu.

W 1988 roku pierwszy dach o konstrukcji „koła rowerowego” zrealizowano nad budynkiem z XVIII wieku – Plaza de Toros w Saragossie. W 1990 roku uzupełniono składaną część środkową.

14

Plaza de Toros, Saragossa, Hiszpania (1988-90), proj. Schlaich Bergermann & P.

Stadio Olimpico di Roma (1990), projekt: Massimo Majowiecki, pierwsze przekrycie trybun stadionu typu „koło rowerowe”.

Mercedes-Benz-Arena (d. Gottlieb-Daimler-Stadion), Stuttgart, Niemcy (1993), przekrycie trybun, arch.: Siegel & Partner, konstr.: Schlaich Bergermann & Partner

Sony Center, Berlin (2000), arch. Helmut Jahn, konstr. Ove Arup & Partners

Eliptyczny dach posiada wymiary głównych osi 102×77 m.

Commerzbank Arena (d. Neues Waldstadion), Frankfurt / Main, (2005), arch. von Gerkan, Marg & Partner, konstr.: Schlaich Bergermann & P. (1. dach składany)

BC Place New Stadium, Vancouver, Kanada, pierścieniowo-cięgnowy dach (2011), arch. Stantec Vancouver, konstr.: Schlaich Bergermann & P.

Stadion Narodowy w Warszawie (2012), arch. Gerkan Marg & Partner, JSK Architekci, konstrukcja dachu: Schlaich Bergermann & Partner;

15

Struktury tensegrity tworzą rodzinę samodzielnie sztywnych, przestrzennych układów prętowo-cięgnowych o różnych konfiguracjach, w których cięgna są naprężone przez nieciągły system prętów ściskanych (w wersji „czystego tensegrity” ściskane pręty nie stykają się ze sobą). W połowie XX wieku pojawiła się grupa systemów prętowo-cięgnowych, dla której w latach 60-tych Buckminster Fuller wprowadził określenie tensegrity, jako skrót od angielskich słów: „tensional integrity”. Już wcześniej jednak amerykański rzeźbiarz Kenneth Snelson tworzył rzeźbiarskie formy złożone z nielicznych i nie stykających się wzajemnie prętów ściskanych, które łączyła i stabilizowała przestrzenna sieć cięgien.

a

b

c

Kompozycje przestrzenne tensegrity Kennetha Snelsona: a) X-Piece (1948), b) Bead Arch (1959), c) Needle Tower (1968), Hirshhorn Museum and Sculpture Garden, Washington D.C.

b a

b

Konstrukcje tensegrity dachów: a) kopuła Fullera (1962), b) kopuła Geigera (1984)

16

17

„Spodek” w Katowicach (1964-71), arch.: M. Gintowt, M. Krasiński, konstrukcja: W. Zalewski, A. Żórawski

Konstrukcja hali „Spodka” w Katowicach to pierwsza na świecie konstrukcja nawiązująca do idei tensegrity.

Uproszczony schemat konstrukcji tensegrity „kopuły kablowej” Geigera.

18

Pierwsze przekrycie typu tensegrity wg projektu Davida H. Geigera: Seoul Olympic Gymnastics Arena, Korea Południowa (1984-86), arch.: Ryu Choon-Soo,

W 1990 roku Geiger zbudował największą spośród swoich hal o konstrukcji tensegrity, Florida Suncoast Dome, o rozpiętości kołowego dachu 209 m.

Georgia Dome, Atlanta, stan Georgia (1992), arch. Heery International, konstr. Weidlinger Associates, konstrukcja tensegrity Tenstar Dome: aksonometria i układ górnych cięgien

b. Przekrycia powłokowe z naprężoną siatką cięgien (ang. pretensioned cable net structures) składają się z cięgien tworzących siatkę ortogonalną, rzadziej trójkątną i pokrycia lub wypełnienia. Cięgna nośne i sprężające leżą w tym wypadku na jednej powierzchni. Konstrukcje tego rodzaju wykonywane są jako powierzchnie antyklastyczne oraz najczęściej minimalne. Siatki płaskie są stosowane tylko do wykonywania niewielkich przekryć.

19

Powłoka z siatką z naprężoną za pomocą cięgien krawędziowych. Zadaszenie nad wejściem z otworem centralnym umożliwiającym odpływ wody.

Finalna forma sieci wynika z umiejscowienia punktów lub linii podparcia oraz wartości naciągu cięgien. Może być projektowana jako konstrukcja przypominająca namiot z masztami i krawędziowymi cięgnami, lub też ze sztywnymi elementami obwodowymi, którymi mogą być belki, łuki, lub przestrzenne pierścienie.

Powłoka z siatką naprężoną za pomocą masztów i cięgien krawędziowych. Pawilon niemiecki na wystawie Expo’67 w Montrealu, Kanada, autor: Frei Otto

Konstrukcje dachów z siatkami z cięgien rozpiętymi na brzegowych belkach. Przystanek Warszawa Ochota WKD, (1963), arch. A. Romanowicz i P. Szymaniak, paraboliczno-hiperboliczna siatka prostokreślna oparta na brzegowych belkach

Konstrukcja siodłowa dachu z siatką z cięgien rozpiętą między wzniesionymi pionowo łukami. Odciągi równoważą siły naciągu cięgien. Hakametsä, Stadion Lodowy w Tampere, Finlandia (1965), architekt: J. Tähtinen,

Konstrukcja siodłowa dachu z siatką z cięgien rozpiętą na sztywnym przestrzennym pierścieniu: Pengrowth Saddledome (d. Olympic Saddledome), Calgary, Kanada (1983), średnica 135m, konstrukcja: Jan Bobrowski & Partners

Pierwszym obiektem, w którym zastosowano powłokę uformowaną wg dwukrzywiznowej powierzchni z zastosowaniem naprężonej siatki cięgien, była Dorton Arena w Relaigh autorstwa Macieja Nowickiego z lat 1949-53. Informacja o budowie hali spotkała z wielkim zainteresowaniem architektów i inżynierów. Wkrótce powstało kilka obiektów naśladujących konstrukcję Nowickiego.

Szkic perspektywiczny Areny w Raleigh. Maciej Nowicki (1949).

20

Przekrój poprzeczny hali w Relaigh. Liny wiatrowe stabilizują powłokę dachu w części niesprężonej. 1 – łuk żelbetowy, 2 – słupy, 3 – lina nośna, 4 – liny wiatrowe.

Wnętrze hali State Fair Arena (obecnie Dorton Arena) w Raleigh (1949-52), autor: Maciej Nowicki (źródło: tripadvisor.com), płyty podwieszone do dolnej powierzchni dachu poprawiają akustykę wnętrza

Parlament w Warszawie. Szkic koncepcyjny M. Nowickiego z 1945 roku.

21

Sukces koncepcji dachu Areny w Raleigh stał się zachętą do poszukiwania nowych możliwości kształtowania przekryć. Frei Otto odbył w roku 1950 praktykę w biurze projektowym F. Severuda, który pracował w tym okresie wspólnie z Nowickim nad budynkiem Areny w Raleigh. Zafascynowany nowym pomysłem konstrukcyjnym, poświecił lekkim konstrukcjom cięgnowym i membranowym całe swoje zawodowe życie. W Karlsruhe, w 1953 roku, zbudowano Schwarzwaldhalle – pierwszą w Europie halę z dachem wiszącym ze sprężonego betonu na dwukrzywiznowo uformowanej siatce cięgien. Hala ta jest użytkowana do dnia dzisiejszego. 22

Schwarzwaldhalle w Karlsruhe (1953), arch. E. Schelling, konstr. U. Finsterwalder

Pawilon Niemiecki na Expo‘67 w Montrealu, 1967, autorzy: Frei Otto, Jörg Schlaich

Dach Stadionu Olimpijskiego w Monachium (1971), arch.: Behnisch+Partner, Frei Otto, konstr. Schlaich Bergermann+Partner

W marcu 2015 roku, na kilka dni przed śmiercią, Frei Otto został uhonorowany prestiżową Nagrodą Pritzkera.

Pierwszym trwałym obiektem o konstrukcji powłoki siatkowej, który wyprzedził o prawie dziesięć lat realizacje Frei Otto, był zbudowany w latach 1958-59 dach Sidney Myer Music Bowl w Melbourne, w Australii. Projekt powstał w latach 195557. Jego autorem był australijski architekt Barry Patten. Powłokę tworzy cienka warstwa nośna wykonana z wodoodpornej sklejki o grubości ½ cala, pokryta obustronnie folią aluminiową i przymocowana do siatki ze stalowych cięgien. Obiekt istnieje i jest użytkowany do dnia dzisiejszego.

23

Sidney Myer Music Bowl, Melbourne, Australia (1959), arch. Barry Patten, konstr. WL Irwin & Associates

Inne słynne obiekty z dachami o konstrukcji powłokowej:

David S. Ingalls Rink, Yale University, New Haven (1956-58), arch. Eero Saarinen, konstr. Fred Severud, a) widok z lotu ptaka (źródło: www.stadiumsusa.com), b) widok od strony głównego wejścia (źródło: structurae.net), c) budowa, żelbetowy łuk niosący liny nośne połaci (źródło: photo.sf.co.ua)

24 Yoyogi National Stadium, Tokio (1961-64), arch. Kenzo Tange, konstr. Yoshikatsu Tsuboi, Mamoru Kawaguchi

Polskie realizacje powłokowe:

Powłokowe konstrukcje Oskara Hansena (współpraca Lech Tomaszewski): Pawilon polski na Międzynarodowych Targach w Izmirze, struktura HT (1955) Pawilon polski na Międzynarodowej Wystawie w Sao Paulo (1959)

Hala sportowa COS w Zakopanem (1962), arch.: A. Skoczek, B. Zaufal, S. Karpiel

Amfiteatr w Koszalinie (1975), proj. J. Filipkowski

25 W latach 1982-83, na terenie Olympiapark w Monachium powstała hala lodowiska przekryta naprężoną siatką cięgien zawieszoną na kratownicowym łuku o przekroju trójkątnym. Łuk wykonany został z rur, jego rozpiętość wynosi 104 m, a wysokość około 19 m. Jest on ustabilizowany przez obustronnie rozpięte siatki. Podpory łuku stanowią dwa masywne fundamenty. Wymiary eliptycznego rzutu samej hali wynoszą 88 × 67 m. Siatkę tworzą podwójne cięgna umieszczone w rozstawie co 75 cm, połączone w węzłach zaciskami. Na obwodzie hali siatkę podparły słupy z zewnętrznymi odciągami. Na siatce przymocowano drewniany ruszt, a pokrycie wykonano z półprzezroczystej membrany. Obecnie hala używana jest do gry w piłkę nożną.

Lodowisko na terenie Olympiapark (obecnie SoccArena), München (1982-83), arch. Ackermann und Partner, konstr. Schlaich Bergermann und Partner

a) widok hali, b) podpora łuku, c) podparcie siatki na obwodzie, d) pokrycie dachu, e) ściana zewnętrzna

Olympic Saddledome, Calgary, Kanada (1981-3), arch. Graham McCourt A., konstr. Jan Bobrowski & Partners, n/z obiekt w budowie,

Lee Valley VeloPark, Londyn (2011), arch. Hopkins Architects, konstr. ExpeditionEngineering Ltd., London; Schlaich Bergermann & Partner (siatka cięgnowa)

Najnowsza polska hala widowiskowo-sportowa Podium w Gliwicach otrzymała również dach tej konstrukcji. Obwodowy żelbetowy ring opier...