Odkrywanie architektury napięcia

Dach z daszkiem terminalu lotniska w Denver. Zdjęcie Sandry Leidholdt / Moment / Getty Images (przycięte)

Architektura rozciągania to system strukturalny, który w przeważającej mierze wykorzystuje rozciąganie zamiast ściskania. Rozciągający oraz napięcie są często używane zamiennie. Inne nazwy obejmują architekturę membrany naprężonej, architekturę tkaniny, struktury napinane i lekkie struktury napinające. Przyjrzyjmy się tej nowoczesnej, ale starożytnej technice budowania.

Ciągnięcie i pchanie

Architektura membran rozciągliwych, lotnisko w Denver 1995, Kolorado. Zdjęcie autorstwa Education Images/UIG/Universal Images Group Collection/Getty Images

Napięcie oraz kompresja to dwie siły, o których często słyszysz, studiując architekturę. Większość konstrukcji, które budujemy, jest ściskana — cegła na cegle, deska na desce, pchająca i ściskająca w dół do ziemi, gdzie ciężar budynku równoważy solidna ziemia. Z drugiej strony, napięcie jest uważane za przeciwieństwo kompresji. Napięcie ciągnie i rozciąga materiały budowlane.

Definicja struktury rozciąganej

' Struktura, która charakteryzuje się naprężeniem systemu tkaniny lub materiału giętkiego (zwykle za pomocą drutu lub linki) w celu zapewnienia krytycznego wsparcia konstrukcyjnego konstrukcji. '- Stowarzyszenie Struktur Tkanin (FSA)

Budowanie naprężeń i kompresji

Wracając myślami do pierwszych ludzkich konstrukcji stworzonych przez człowieka (poza jaskinią), myślimy o Laugier's Prymitywna chata (struktury głównie w kompresji) i, nawet wcześniej, struktury podobne do namiotów - tkanina (np. skóra zwierzęca) naciągnięta (naprężona) wokół drewnianej lub kostnej ramy. Rozciągliwa konstrukcja była w porządku dla namiotów nomadów i małych tipi, ale nie dla Piramidy Egiptu. Nawet Grecy i Rzymianie ustalili, że duże kolosea wykonane z kamienia są znakiem długowieczności i uprzejmości, a my je nazywamy Klasyczny . Na przestrzeni wieków architektura napięta była spychana do namiotów cyrkowych, mostów wiszących (m.in. Most Brookliński ) oraz niewielkie pawilony tymczasowe.

Przez całe życie niemiecki architekt i laureat nagrody Pritzkera Frei Otto badał możliwości lekkiej, rozciągliwej architektury — skrupulatnie obliczając wysokość słupów, zawieszenie kabli, sieć kablową i materiały membranowe, które można wykorzystać do tworzenia na dużą skalę konstrukcje przypominające namioty. Jego projekt pawilonu niemieckiego na Expo '67 w Montrealu w Kanadzie byłby znacznie łatwiejszy do zbudowania, gdyby miał CHAM oprogramowanie. Ale to właśnie ten pawilon z 1967 r. utorował drogę innym architektom do rozważenia możliwości konstrukcji napięciowej.

Jak stworzyć i wykorzystać napięcie?

Najpopularniejszymi modelami tworzenia napięcia są model balonowy i model namiotu. W modelu balonowym powietrze wewnętrzne pneumatycznie wytwarza napięcie na ścianach membrany i dachu, wtłaczając powietrze do rozciągliwego materiału, jak balon. W modelu namiotowym kable przymocowane do stałej kolumny ciągną ściany membranowe i dach, podobnie jak działa parasol.

Typowe elementy bardziej popularnego modelu namiotu obejmują (1) „maszt” lub stały słup lub zestawy słupów do podparcia; (2) Kable podwieszane, pomysł przyniesiony do Ameryki przez urodzonych w Niemczech Johna Roeblinga; oraz (3) „membranę” w postaci tkaniny (np. ETFE ) lub siatka kablowa.

Najbardziej typowe zastosowania tego typu architektury obejmują zadaszenia, pawilony zewnętrzne, hale sportowe, węzły komunikacyjne i półtrwałe domy po katastrofie.

^{Źródło: Fabric Structures Association (FSA) pod adresem www.fabricstructuresassociation.org/what-are-lightweight-structures/tensile}

Wewnątrz międzynarodowego lotniska w Denver

Wnętrze międzynarodowego lotniska w Denver, 1995 w Denver w stanie Kolorado. Zdjęcie autorstwa altrendo images/Altrendo Collection/Getty Images

Port lotniczy Denver jest doskonałym przykładem architektury rozciąganej. Dach terminala z rozciągniętej membrany z 1994 roku może wytrzymać temperatury od minus 100°F (poniżej zera) do plus 450°F. Włókno szklane odbija ciepło słoneczne, a jednocześnie umożliwia przenikanie naturalnego światła do wnętrza. Ideą projektu jest odzwierciedlenie otoczenia górskich szczytów, ponieważ lotnisko znajduje się w pobliżu Gór Skalistych w Denver w stanie Kolorado.

O międzynarodowym lotnisku w Denver

Architekt : CW Fentress JH Bradburn Associates, Denver, CO
Zakończony : 1994
Wykonawca specjalistyczny : Birdair, Inc .
Pomysł na projekt : Podobnie jak w przypadku szczytowej konstrukcji Frei Otto znajdującej się w pobliżu Alp Monachijskich, firma Fentress wybrała system pokrycia dachowego z rozciągliwej membrany, który naśladował szczyty Gór Skalistych w Kolorado
Rozmiar : 1200 x 240 stóp
Liczba kolumn wewnętrznych : 3. 4
Ilość kabla stalowego 10 mil
Typ membrany : Włókno szklane PTFE , teflon-powlekane tkane włókno szklane
Ilość tkaniny : 375 000 stóp kwadratowych dachu terminalu Jeppesen; 75 000 stóp kwadratowych dodatkowej ochrony krawężnika

^{Źródło: Międzynarodowy port lotniczy Denver oraz Włókno szklane PTFE w Birdair, Inc. [dostęp 15 marca 2015]}

Trzy podstawowe kształty typowe dla architektury rozciąganej

Dach Stadionu Olimpijskiego 1972 w Monachium, Bawaria, Niemcy. Zdjęcie autorstwa Holger Thalmann/STOCK4B/Stock4B Collection/Getty Images

Zainspirowana niemieckimi Alpami, ta konstrukcja w Monachium w Niemczech może przypominać międzynarodowe lotnisko w Denver z 1994 roku. Jednak monachijski budynek powstał dwadzieścia lat wcześniej.

W 1967 r. niemiecki architekt Günther Behnisch (1922-2010) wygrał konkurs na przekształcenie monachijskiego wysypiska śmieci w międzynarodowy krajobraz na organizację XX Letnich Igrzysk Olimpijskich w 1972 r. Behnisch & Partner stworzył modele z piasku, aby opisać naturalne szczyty, na których chcieli wioska olimpijska. Następnie zwerbowali niemieckiego architekta Frei Otto do pomocy w opracowaniu szczegółów projektu.

Bez użycia CHAM oprogramowania, architekci i inżynierowie zaprojektowali te szczyty w Monachium, aby zaprezentować nie tylko sportowców olimpijskich, ale także niemiecką pomysłowość i niemieckie Alpy.

Czy architekt międzynarodowego lotniska w Denver ukradł monachijski projekt? Może, ale firma z RPA Struktury napinane zwraca uwagę, że wszystkie projekty rozciągania są pochodnymi trzech podstawowych form:

• ' Stożkowy – Kształt stożka, charakteryzujący się centralnym daszkiem”
• ' Sklepienie beczkowe – Łukowaty kształt, zwykle charakteryzujący się zakrzywionym łukiem”
• ' Hypar – Skręcony dowolny kształt '

^{Źródła: Zawody , Behnisch i Wspólnicy 1952-2005; Specyfikacja , Struktury napięciowe [dostęp 15 marca 2015]}

Duża skala, lekka waga: wioska olimpijska, 1972

Widok z lotu ptaka wioski olimpijskiej w Monachium, Niemcy, 1972. Zdjęcie autorstwa Design Pics/Michael Interisano/Perspectives Collection/Getty Images

Gunther Behnisch a Frei Otto współpracował, aby zamknąć większość Wioski Olimpijskiej z 1972 roku w Monachium, Niemcy, jeden z pierwszych projektów struktury napięcia na dużą skalę. Stadion Olimpijski w Monachium w Niemczech był tylko jednym z obiektów wykorzystujących architekturę rozciąganą.

Miała być większa i wspanialsza niż pawilon z tkaniny Otto Expo '67, konstrukcja monachijska była skomplikowaną membraną z siatki kablowej. Do wykończenia membrany architekci wybrali panele akrylowe o grubości 4 mm. Sztywny akryl nie rozciąga się jak tkanina, więc panele zostały „elastycznie połączone” z siatką kablową. Rezultatem była wyrzeźbiona lekkość i miękkość w całej wiosce olimpijskiej.

Żywotność rozciągliwej struktury membrany jest zmienna, w zależności od rodzaju wybranej membrany. Dzisiejsze zaawansowane techniki produkcji wydłużyły żywotność tych konstrukcji z mniej niż jednego roku do wielu dziesięcioleci. Wczesne konstrukcje, takie jak Park Olimpijski z 1972 roku w Monachium, były naprawdę eksperymentalne i wymagały konserwacji. W 2009 roku niemiecka firma Hightex został powołany do montażu nowego podwieszanego dachu membranowego nad halą olimpijską.

^{Źródło: Igrzyska Olimpijskie 1972 (Monachium): Stadion Olimpijski, TensiNet.com [dostęp 15 marca 2015]}

Szczegół konstrukcji rozciąganej Frei Otto w Monachium, 1972

Olimpijska konstrukcja dachu zaprojektowana przez Frei Otto, 1972, Monachium, Niemcy. Zdjęcie autorstwa LatitudeStock-Nadia Mackenzie/Gallo Images Collection/Getty Images

Dzisiejszy architekt ma szereg wybór membran z tkaniny z których wybrać — o wiele więcej „cudownych tkanin” niż architekci, którzy zaprojektowali zadaszenie w wiosce olimpijskiej z 1972 roku.

W 1980 roku autor Mario Salvadori wyjaśnił architekturę rozciąganą w ten sposób:

„Gdy sieć kabli zostanie zawieszona na odpowiednich punktach podparcia, można na niej zawiesić cudowne tkaniny i rozciągnąć na stosunkowo niewielką odległość między kablami sieci. Niemiecki architekt Frei Otto jest pionierem tego typu dachu, w którym sieć cienkich kabli zwisa z ciężkich kabli granicznych wspartych na długich stalowych lub aluminiowych słupach. Po wzniesieniu namiotu dla pawilonu zachodnioniemieckiego na Expo '67 w Montrealu udało mu się zakryć stoiska Stadion Olimpijski w Monachium ...w 1972 z namiotem, który chroni osiemnaście akrów, wspartym na dziewięciu masztach ściskających o wysokości do 260 stóp i przewodach do sprężania granicznego o nośności do 5000 ton. (Nawiasem mówiąc, pająka nie jest łatwo naśladować — ten dach wymagał 40 000 godzin obliczeń i rysunków inżynierskich).

^{Źródło: Dlaczego budynki wstają Mario Salvadori, McGraw-Hill Paperback Edition, 1982, s. 263-2}

Pawilon Niemiecki na Expo '67, Montreal, Kanada

Pawilon Niemiecki na Expo 67, 1967, Montreal, Kanada. Zdjęcie Atelier Frei Otto Warmbronn za pośrednictwem PritzkerPrize.com

Często nazywany pierwszą lekką konstrukcją rozciągliwą na dużą skalę, niemiecki pawilon Expo '67 z 1967 r. — prefabrykowany w Niemczech i wysłany do Kanady w celu montażu na miejscu — obejmował tylko 8000 metrów kwadratowych. Ten eksperyment w architekturze rozciąganej, którego zaplanowanie i zbudowanie zajęło zaledwie 14 miesięcy, stał się prototypem i zaostrzył apetyt niemieckich architektów, w tym jego projektanta, przyszłego laureata nagrody Pritzker Frei Otto.

W tym samym roku 1967 niemiecki architekt Günther Behnisch wygrał zamówienie na obiekty olimpijskie w Monachium w 1972 roku. Jego rozciągliwa konstrukcja dachu zajęła pięć lat, aby zaplanować, zbudować i pokryć powierzchnię 74 800 metrów kwadratowych - co jest dalekie od poprzednika w Montrealu w Kanadzie.

Dowiedz się więcej o architekturze rozciągania

• Struktury świetlne - Struktury światła: sztuka i inżynieria architektury rozciąganej ilustrowana pracami Horsta Bergera Horst Berger, 2005
• Rozciągliwe struktury powierzchni: praktyczny przewodnik po budowie kabli i membran autor: Michael Seidel, 2009
• Struktury membran rozciągliwych: ASCE/SEI 55-10 , Asce Standard przez Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Budownictwa, 2010

^{Źródła: Igrzyska Olimpijskie 1972 (Monachium): Stadion Olimpijski i Expo 1967 (Montreal): pawilon niemiecki, baza danych projektu TensiNet.com [dostęp 15 marca 2015]}