Mgr inż. arch. Stanisław Jurczakiewicz ROZPRAWA DOKTORSKA - streszczenie Temat: EWOLUCJA FORM SYSTEMÓW PRĘTOWO-CIĘGNOWYCH W ARCHITEKTURZE

Transkrypt

1 Mgr inż. arch. Stanisław Jurczakiewicz ROZPRAWA DOKTORSKA - streszczenie Temat: EWOLUCJA FORM SYSTEMÓW PRĘTOWO-CIĘGNOWYCH W ARCHITEKTURZE WSPÓŁCZESNEJ Tematem pracy jest analiza wszechstronnych zastosowań w architekturze systemów prętowo-cięgnowych, czyli układów złożonych z prętów ściskanych oraz wiotkich cięgien i membran zdolnych do przenoszenia wyłącznie oddziaływań rozciągających. Tego typu konstrukcje są bardzo efektywne pod względem wykorzystania cech wytrzymałościowych materiałów i wpisują się w aktualny nurt rozwoju w harmonii z naturalnym środowiskiem. W pierwszym rozdziale przedstawiono podstawowe cechy systemów prętowo-cięgnowych oraz podano przykłady ich powszechnej obecności. Układy konstrukcyjne tego typu znajdujemy w przyrodzie. Można do nich zaliczyć siatki pajęczyn, liany pewnych gatunków drzew lub błony lotne skrzydeł nietoperza. Do najstarszych ustrojów budowlanych wznoszonych przez człowieka należą namioty konstruowane z masztów i cięgien oraz odpowiednich tkanin. Te pierwotne konstrukcje używane są na niektórych obszarach do tej pory. Uznaje się, że okres nowoczesnych zastosowań systemów prętowo-cięgnowych w budownictwie rozpoczęła realizacja w połowie XX wieku słynnej Areny w Raleigh Macieja Nowickiego. Budowla ta ujawniła nowe, szerokie możliwości kształtowania form architektonicznych. Wkrótce powstało kilka imponujących obiektów bazujących na systemach prętowo-cięgnowych. W ostatnich latach lekkie struktury prętowo-cięgnowe zastosowano w dziedzinie konserwacji zabytków. Powodem podjęcia badań nad systemami prętowo-cięgnowymi jest przekonanie autora o ich wielkich możliwościach i wciąż niedostatecznym wykorzystaniu w architekturze. W drugim rozdziale omówiono metody wykorzystane w pracy oraz sformułowano jej tezy. Otóż dokonany został przegląd form systemów prętowo-cięgnowych i ich zastosowań we współczesnych obiektach architektonicznych, a także określone tendencje w procesach ich ewolucyjnych przemian wraz z próbą zdefiniowania prognozy ich dalszego rozwoju. Ramy czasowe przeglądu objęły okres od 1950 roku, czyli od powstania Areny w Raleigh, do chwili obecnej. Uwzględnione zostały najważniejsze i najciekawsze obiekty pochodzące z całego świata, przy czym zwrócono szczególną uwagę na nowatorskie projekty i realizacje polskich architektów i inżynierów. Zastosowano metodę analizy form i konstrukcji obiektów zaliczanych do poszczególnych systemów prętowo-cięgnowych, a następnie posłużono się metodą syntezy dla sformułowania wniosków cząstkowych dotyczących poszczególnych grup systemów prętowo-cięgnowych oraz przy podsumowaniu całości pracy. W dysertacji przyjęto następujące tezy badawcze: Teza I: Formuła konstrukcyjna systemów prętowo-cięgnowych polegająca na założonym z góry podziale na elementy ściskane i rozciągane umożliwia kształtowanie efektywnych ekonomicznie postaci konstrukcji nośnych, dzięki którym obiekty realizowane za ich pomocą mogą uzyskiwać interesujące i unikatowe formy architektoniczne. Teza II: Dzięki zastosowaniu ustrojów prętowo-cięgnowych w dziedzinie konserwacji zabytków można osiągać zamierzone efekty konstrukcyjnego wzmocnienia i zabezpieczenia obiektów historycznych przy minimalnej ingerencji w zabytkową substancję, w zgodności z obowiązującą doktryną konserwatorską.

2 Na końcu drugiego rozdziału zdefiniowano jeszcze podstawowe pojęcia dotyczące systemów prętowo-cięgnowych, takie jak cięgno, pręt, powłoka i membrana. Wyjaśniono też terminy, które pojawiają się w kolejnych rozdziałach: struktury samostateczne i niesamostateczne, tensegrity, powierzchnie antyklastyczne i synklastyczne. W rozdziale trzecim przedstawiono genezę współczesnych systemów prętowocięgnowych. Najdawniejsze przykłady ich zastosowań pochodzą z czasów antyku. Nad teatrami starożytnej Grecji i Rzymu rozpinane były membranowo-linowe osłony przeciwsłoneczne zwane w Rzymie velarium. Mosty wiszące przerzucane od tysięcy lat nad rzekami w Azji i Ameryce Południowej oraz mosty zwodzone średniowiecznych zamków to także odmiany konstrukcji prętowo-cięgnowych. W okresie Renesansu układy cięgnowe spotykamy w konstrukcjach sklepień, w rejonach wezgłowi gdzie występuje rozciąganie, a także w dachowych konstrukcjach drewnianych. Dalej przedstawiono w skrócie rozwój niektórych stosowanych obecnie systemów prętowo-cięgnowych. Dwa rodzaje pradawnych namiotów różniące się w istotny sposób budową, czyli namioty szkieletowe i membranowe znalazły odzwierciedlenie we współczesnych konstrukcjach przekryć. Dopiero niedawno weszły do architektury systemy wiszące i podwieszone, które wcześniej rozwijały się przez długi czas w XIX i XX wieku jako konstrukcje mostowe i na razie, w tej dziedzinie wyraźnie wyprzedzają rozmachem realizacje budownictwa ogólnego. W końcu wieku XIX pojawiły się pierwsze dachy powłokowe na stalowych siatkach, a w latach 30-tych XX wieku dachy o konstrukcji błonowej scalane początkowo z arkuszy blachy. W tym samym okresie powstał też pierwszy projekt hali z przekryciem o konstrukcji linowej typu koła rowerowego przypominającym starożytne velarium, lecz nie doszło do jego realizacji. Najmłodszymi systemami zaliczanymi do układów prętowo-cięgnowych są struktury tensegrity, których pierwsze układy w postaci intrygujących rzeźb wykonano w latach 50-tych XX wieku. Część historyczną zamyka opis powłokowej konstrukcji Areny w Raleigh. Ostatnią część rozdziału trzeciego zajmuje prezentacja aktualnego zaawansowania teorii i technologii w zakresie projektowania i wykonawstwa konstrukcji prętowo-cięgnowych. Prześledzona została droga rozwoju struktur prętowych o formach płaskich jedno i wielowarstwowych oraz kopuł od konstrukcji żebrowych, poprzez geodezyjne i lamellowskie, aż do złożonych układów, które można obecnie kształtować dzięki zastosowaniu metod numerycznych. Aktualnie dostępne oprogramowanie umożliwia projektowanie układów prętowo-cięgnowych o formach swobodnych zyskujących coraz większą popularność od końca XX wieku. Bardzo sprawnym i łatwym w użyciu narzędziem służącym do generowania przestrzennych siatek jest Formian program opracowany i nadal rozwijany przez Hoshyara Nooshina i współpracowników na University of Surrey w Anglii. W konstrukcjach membranowych (błonowych) pojawia się dodatkowo tkanina techniczna jako główny element konstrukcyjny. Aby taka powłoka była sztywna przestrzennie musi tworzyć powierzchnię antyklastyczną, bo tylko wtedy można jej nadać właściwe sprężenie. Frei Otto prekursor konstrukcji błonowych prowadził pierwsze doświadczenia stosując błony gumowe, oraz jak inni badacze używał nawet błony mydlanej. Obecnie, również w tym zakresie z powodzeniem wykorzystywane są programy komputerowe. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe ustrojów prętowo-cięgnowych muszą uwzględniać teorię II rzędu, czyli geometryczną nieliniowość zachowania konstrukcji. Nadal nieodzowne są jednak doświadczalne badania modelowe ze względu między innymi na anizotropowe właściwości tkanin technicznych.

3 Rozdział czwarty został poświęcony w całości prętowo-cięgnowym konstrukcjom przekryć. Na wstępie dokonano ich ogólnej klasyfikacji dzieląc wg sposobu zapewnienia stateczności konstrukcji na układy płaskie i przestrzenne oraz na struktury samostateczne i niesamostateczne. Natomiast ze względu na kształt rzutu obiektu i sposób jego przekrywania wyróżniono przekrycia otwarte o rzucie podłużnym, lub stanowiącym wycinek koła oraz zamknięte lub częściowo zamknięte z wewnętrznym otworem. Jako pierwsze omówiono układy cięgnowe współpracujące z systemami kratownicowymi. Przedstawiono 25 przykładów realizacji, w których takie połączenie miało decydujący wpływ na architekturę lub rozwiązanie funkcjonalne obiektu. Słynne paryskie Centre Pompidou Renzo Piano i Richarda Rogersa, szklana piramida Louvre Iaoh Ming Pei a, hala podlondyńskiego Stansted Airport Normana Fostera uzyskały swój wyjątkowy charakter dzięki kratownicowocięgnowym układom zaprojektowanym przez genialnego irlandzkiego inżyniera Petera Rice a. Do tej grupy konstrukcji zaliczono też płaskie i przestrzenne układy sprężone, które są znacznie lżejsze i sztywniejsze w porównaniu z klasycznymi systemami kratownicowymi. Kolejną, obszerną część rozdziału zajęło omówienie przekryć wiszących, które można podzielić na trzy podstawowe grupy: linowe, powłokowe z naprężoną siatką cięgien i błonowe (membranowe). Łącznie zaprezentowano 109 realizacji charakteryzując zastosowane w nich rozwiązania konstrukcyjne oraz ich wpływ na architekturę i funkcję obiektu. Wśród konstrukcji linowych wyróżniono kilka systemów. System ze swobodnie wiszącymi cięgnami w układzie płaskim wykorzystał między innymi Eero Saarinen w zachwycającym formą Dulles International Airport w Waszyngtonie, a radialny układ cięgien posiada słynna nowojorska hala Madison Square Garden. Wywodzące się od konstrukcji mostowych dachy wiszące spotykane są rzadko, Pier Luigi Nervi dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskał w fabryce papieru w Mantui we Włoszech wymaganą, 160 metrową, rozpiętość dachu. Posiadające podobny rodowód dachy podwieszone występują w wielu wariantach. Podwieszenie do masztów zastosował Norman Foster w Renault Distribution Centre w Swindon, a Nicholas Grimshaw w kilku obiektach halowych, wśród których wyróżnia się fabryka IGUS w Kolonii. Na wielu stadionach przekrycia podwieszano do pylonów, jak na przykład nad Alamodome w Teksasie, gdzie zamknięte przekrycie obiektu podwieszono do czterech pylonów o wysokości 90 m. Podwieszone konstrukcje posiadają też słynne dachy membranowe. W Montrealu Roger Taillibert podwiesił ruchomą część dachu Stadionu Olimpijskiego do najwyższego na świecie wychylonego pylonu o wysokości 165 m. Natomiast Richard Rogers w londyńskiej hali Millenium Dome użył 12 kratownicowych masztów o wysokości 100 m do podwieszenia dachu posiadającego największą na świecie powierzchnię. Kolejną grupę systemów linowych stanowią sprężone belki linowe zestawiane w płaskie układy jedno- i wieloprzęsłowe, a także w układy pierścieniowo-linowe, które znalazły w ostatnich latach zastosowanie na kilkudziesięciu stadionach, między innymi też na Stadionie Narodowym w Warszawie. Najmłodszą grupę systemów linowych stanowią struktury tensegrity tworzone z niezależnych prętów ściskanych utrzymywanych wewnątrz ciągłej sieci cięgien. Kilka tego typu konstrukcji dachowych o dużych rozmiarach zbudował David Geiger, a warto zauważyć, że pierwszy taki obiekt użytkowy powstał w Polsce wg projektu Wacława Zalewskiego. Wcześniejsze dzieła Kennetha Snelsona mają charakter jedynie plastyczny. Pozostałe dwie grupy dachów wiszących, czyli przekrycia powłokowe z naprężoną siatką cięgien oraz przekrycia membranowe są do siebie podobne pod względem

4 możliwości kształtowania form. O uzyskiwanych rozpiętościach tych konstrukcji decydują głównie właściwości wytrzymałościowe materiałów tworzących siatki i membrany. Słynne przykłady konstrukcji powłokowych, to obok wspomnianej Areny w Raleigh Macieja Nowickiego, dachy obiektów olimpijskich w Monachium projektu Frei Otto, olimpijska hala w Tokio projektu Kenzo Tange oraz wzniesiona niedawno w Astanie, stolicy Kazachstanu hala centrum rozrywkowego wg projektu Normana Fostera. Najważniejsze jak dotąd konstrukcje, w których membrana jest podstawowym elementem nośnym, powstały przy udziale Davida Geigera i Horsta Bergera oraz firmy Birdair założonej przez Waltera Birda. Są to: Denver International Airport w stanie Colorado, San Diego Convention Center w Californii, czy też największy powierzchniowo dach Hajj Terminal w Arabii Saudyjskiej. W wielu przypadkach konstrukcje membranowe są drugorzędnymi, lekkimi elementami wypełniającymi, a zasadnicze struktury nośne wykonane jako kratownice lub układy linowe. Przykładami mogą być tu: dach stadionu w Singapurze z łukową kratownicową konstrukcją przestrzenną o największej aktualnie rozpiętości 310 m oraz największy dach o konstrukcji pierścieniowo-linowej Stadionu Narodowego w Warszawie. Obie konstrukcje posiadają składane części nad powierzchnią boiska. W rozpatrywanym okresie od 1950 do 2016 roku, z udziałem Polaków powstało szereg obiektów z interesującymi przekryciami o konstrukcji prętowo-cięgnowej. Należy tu wymienić katowicki Spodek z dachem linowym typu tensegrity wg projektu Wacława Zalewskiego, Pengrowth Saddledome w Calgary w Kanadzie z siodłowym dachem wg projektu Jana Bobrowskiego, siatkowo-membranowe konstrukcje powłokowe pawilonów Oskara Hansena, powłokowe dachy obiektów przygotowań olimpijskich w Warszawie wg projektów Wojciecha Zabłockiego i konstrukcji Stanisława Kusia, membranowe konstrukcje dachów Opery Leśnej w Sopocie z 1964 roku Jana Kowalskiego i z 2011 roku Jacka Szczęsnego oraz częściowo składanego dachu amfiteatru Kadzielnia w Kielcach Andrzeja Kowala. Dwie najnowsze polskie hale widowiskowosportowe otrzymały również dachy o konstrukcji prętowo-cięgnowej: krakowska Tauron Arena dach pierścieniowo-linowy, a gliwicka Hala Podium dach powłokowy z nośną siatką wykonaną z lin. Obie zaprojektował zespół krakowskich architektów pod kierunkiem Piotra Łabowicza i Marcina Kulpy. W dalszej części omówiono te spośród konstrukcji pneumatycznych, które można zaliczyć do układów prętowo-cięgnowych. W latach 80-tych XX wieku powszechnie stosowano niskoprofilowe konstrukcje pod stałym nadciśnieniem, które wsparte na obwodowych pierścieniach tworzyły dachy obiektów o wielkich, teoretycznie nieograniczonych rozpiętościach. Po serii katastrof powodowanych silnym wiatrem i opadami śniegu całkowicie zaprzestano ich wykonywania. Funkcjonują za to nieliczne przekrycia pneumatyczne z komorami nośnymi. W Nîmes we Francji antyczna arena o eliptycznym rzucie otrzymała sezonowy dach w formie ogromnej soczewkowej poduszki opartej na radialnym układzie linowym. Japońska hala Kumamoto Park Dome z podobnym dachem jest obiektem stałym. Ostatnią część rozdziału czwartego stanowi tabelaryczne zestawienie prętowo-cięgnowych konstrukcji dachów o rozpiętości przekraczającej 100 m. Wybrano 50 najciekawszych obiektów zrealizowanych na świecie w latach i na tej bazie dokonano oceny efektywności wymienionych wcześniej systemów konstrukcyjnych porównując uzyskiwane rozpiętości, okresy i obszary ich stosowania, możliwości budowy dachów składanych itp.

5 W rozdziale piątym przeanalizowano pozostałe zastosowania systemów prętowocięgnowych w budownictwie i architekturze. W dziedzinie mostownictwa systemy te stosowane są od dawna i właśnie tam szukają inspiracji twórcy przekryć wiszących o wielkich rozpiętościach. Mosty wiszące budowane były przez cały XIX i XX wiek uzyskując rozpiętości nieosiągalne dla wszelkich innych systemów konstrukcyjnych. Długość głównego przęsła największego obecnie mostu wiszącego, japońskiego Akashi Kaikyo wynosi m. Powstaje też wiele mniejszych mostów wiszących o nietypowych, asymetrycznych formach, z łukowymi lub krętymi pomostami dopasowanymi do formy terenu. Dynamiczny rozwój mostów podwieszonych, lub wantowych nastąpił dopiero po drugiej wojnie światowej. Pierwszy taki most zbudował w Szwecji Franz Dischinger, a całą ich serię zaprojektował Fritz Leonhardt. Rekord rozpiętości przęsła mostu podwieszonego wynosi obecnie 1104 m i należy do zbudowanego w roku 2012 Mostu Rosyjskiego łączącego Władywostok z Wyspą Rosyjską. System ten umożliwia tworzenie ciekawych form plastycznych pylonów i układów olinowania. Wśród nich wyróżnia się Most Alamillo w Sevilli wg projektu Santiago Calatravy i Erasmusbrug w Kop van Zuid w Rotterdamie wg projektu Ben van Berkela. Stosunkowo niedawno wyodrębniła się grupa mostów podwieszonych z niskimi pylonami tzw. extradosed, będąca w zasadzie kontynuacją idei mostów kablobetonowych polegającą na wyprowadzeniu kabli sprężających poza obrys przekroju pomostu. Dwa polskie mosty tego typu należą do rekordowych osiągnięć w skali światowej. Most na Wiśle pod Kwidzynem posiada dwa najdłuższe przęsła o długości po 204 m każde, co daje mu pod tym względem czwarte miejsce na świecie i pierwsze w Europie. Most autostradowy nad doliną Kolejówki, w Mszanie, w woj. śląskim jest najszerszym mostem typu extradosed na świecie. Jego szerokość wynosi od 38,58 m do 47,45 m. Mosty łukowe z jazdą dolną posiadają odpowiedniki w konstrukcjach dachowych, jednak górują nad nimi znacznie rozpiętościami. Rekord rozpiętości łuku chińskiego mostu Chaotianmen wynosi 552 m. Budowane są także niewielkie mosty i kładki dla pieszych wg zasad tensegrity. Najbardziej znany jest Kurilpa Bridge w Brisbane w Australii. Wzorem dla kilku tego typu konstrukcji był schemat odwróconej kratownicy Finka pochodzącej z połowy XIX wieku. Układy prętowo-cięgnowe od wielu lat znajdują także zastosowanie w obiektach wysokościowych jako ich podstawowe elementy konstrukcyjne lub drugorzędne układy stężające i stabilizujące. Maszty radiowe o konstrukcji kratownicowej, jako ustroje bardzo wiotkie, wymagają stabilizacji za pomocą układów odciągów. Najwyższe obiekty tego typu przekraczają wysokość 600 m. W latach 1974 do 1991 najwyższym obiektem budowlanym na świecie był maszt w Konstantynowie koło Gąbina o wysokości 646,4 m. Wykorzystanie układów prętowo-cięgnowych, w tym również tensegrity, do konstrukcji wież widokowych, sygnalizacyjnych lub służących jako akcenty wysokościowe, pozwala uzyskać ciekawe efekty plastyczne, jak w przypadku japońskiej Genome Tower Mamoru Kawaguchi, lub Messeturm Rostock w Niemczech wg koncepcji kostrukcyjnej Jörga Schlaicha. W budynkach wysokich systemy trzonowe z podwieszonymi stropami dają efekt w postaci uwolnienia od konstrukcji obszaru parteru, zastąpienia cięgnami masywnych ściskanych elementów wspierających stropy oraz umożliwiają swobodne formowanie elewacji. Dodatkową korzyścią jest wyeliminowanie kosztownego transportu dźwigowego przez zastosowanie metody podnoszenia stropów wykonanych na poziomie terenu. W Johannesburgu wieżowiec o wysokości 139 m posiada trzon z trzema stalowymi wspornikami, na których zawieszono po 9 stropów. W Monachium budynek BMW

6 o wysokości 101 m złożony jest z 4 cylindrów wokół centralnego trzonu, z którego wyprowadzono dźwigar wspornikowy. 11 dolnych kondygnacji jest na nim zawieszonych. W latach 60-tych zbudowano we Wrocławiu wg projektu Jacka Burzyńskiego 11-piętrowy budynek mieszkalny metodą podnoszenia stropów w toku wznoszenia trzonu. Dwa wieżowce o podobnej konstrukcji powstały też w Katowicach w końcu lat 70-tych. Współcześnie chętnie stosuje się dynamiczne formy architektoniczne budynków. Ustroje prętowo-cięgnowe są najlżejszym rozwiązaniem umożliwiającym uzyskanie dużych rozpiętości nadwieszonych części. W budynku wystawowym Pudong w Shanghaju rozpiętości nadwieszonych narożników piętra osiągają 40 m. W wielu obiektach dzięki układom cięgnowym udaje się uzyskać wrażenie zaskakującej lekkości elementów komunikacyjnych: pomostów i schodów. Systemy prętowo-cięgnowe wykorzystywane są również do realizacji przeszklonych ścian osłonowych dla uzyskania wysokiej przezroczystości elewacji. Cięgnowe dźwigary usztywniające zastosowali jako pierwsi Peter Rice w paryskim budynku wystawowym w Parc de la Vilette oraz Horst Berger w hali portu lotniczego w Denver. Obecnie chętnie stosowane są naprężone siatki cięgien, do których, w węzłach mocowane są przegubowo panele szklane. Największe ściany osłonowe o tej konstrukcji zrealizowane w Hotelu Kempinski w Monachium mają rozmiary m. Wprowadzenie w przejrzystych ścianach osłonowych w miejsce szklanych płyt lekkiej folii ETFE umożliwia redukcję do minimum ciężaru własnego ściany. Folia ETFE jednocześnie jest odporna na działanie zawartych w powietrzu agresywnych związków chemicznych. Membranowe zadaszenia i osłony przeciwsłoneczne dzięki swoim miękkim formom mogą decydować o wyrazie architektonicznym budynku. W rozdziale szóstym przedstawiono kilka koncepcji prętowo-cięgnowych przekryć oraz konstrukcji budynków wysokich i ich fundamentów, które mogą być urzeczywistnione dopiero po uzyskaniu lekkich cięgien o wielokrotnie większej wytrzymałości od stalowych lin używanych obecnie. Przykłady takich materiałów, które są w fazie badań, podano w rozdziale trzecim. Dodatkowym problemem jest rozwiązanie połączeń i zakotwień cięgien, które ze względów bezpieczeństwa muszą posiadać jeszcze wyższą nośność niż same cięgna. Rozdział siódmy zawiera omówienie możliwości wykorzystania systemów prętowocięgnowych w dziedzinie konserwacji i ochronie zabytków. Obowiązująca doktryna konserwatorska wymaga, aby zachowywane były autentyczne elementy zabytkowe, lecz dopuszcza aby przy pracach rewaloryzacyjnych stosować nowoczesne technologie i materiały. Autor podaje przykłady wykonywanych z jego udziałem projektów i realizacji zabezpieczeń historycznych sklepień i więźb dachowych, w których zastosowano dodatkowe cięgnowe układy konstrukcyjne umożliwiające minimalną ingerencję w substancję zabytkową. Konstrukcje prętowo-membranowe lub lekkie wiązary stabilizowane cięgnami umożliwiają też sprawne przekrywanie terenów prac i ekspozycji archeologicznych. W rozdziale ósmym, na podstawie materiału zaprezentowanego w dysertacji, omówiono czynniki mające wpływ na zastosowania systemów prętowo-cięgnowych w praktyce. W podsumowaniu zawartym w rozdziale dziewiątym potwierdzono słuszność tez sformułowanych na wstępie dysertacji, wskazując na szerokie możliwości zastosowań konstrukcji prętowo-cięgnowych i ich zgodność z aktualnymi tendencjami do rozwijania technologii, które najmniej szkodzą naturalnemu środowisku człowieka oraz przydatność w dziedzinie konserwacji i ochrony zabytków. Kraków, 09 stycznia 2017 roku.