BUDOWA RUCHOMYCH PRZEKRYĆ DACHOWYCH NA PODSTAWIE MECHANIZMÓW KLASY III

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 65 ISSN 1896-771X BUDOWA RUCHOMYCH PRZEKRYĆ DACHOWYCH NA PODSTAWIE MECHANIZMÓW KLASY III Anita Pawlak-Jakubowska 1a, Krystyna Romaniak 2b 1 Ośrodek Geometrii i Grafiki Inżynierskiej, Politechnika Śląska, 2 Zakład Geometrii, Rysunku Technicznego i Grafiki Inżynierskiej, Politechnika Krakowska, a Anita.Pawlak-Jakubowska@polsl.pl, b Krystynaromaniak@gmail.com Streszczenie Praca jest kolejnym etapem badań, których zasadniczym celem jest poszukiwanie nowych rozwiązań ruchomych dachów na podstawie analizy i syntezy występujących w ich budowie mechanizmów. W pierwszej kolejności przeanalizowano kilkadziesiąt istniejących zadaszeń (literaturę, patenty, normy dokumentację techniczną), dokonując ich klasyfikacji ze względu na zróżnicowane kryteria (kształt, wykonywany ruch, materiał pokrycia paneli dachowych, technologię wykonania). Kolejnym etapem badań było wyodrębnienie w budowie ruchomych zadaszeń mechanizmów związanych z jego przemieszczeniem. Ponieważ w istniejących zadaszeniach stosowane są mechanizmy klasy II, stąd pierwsze modele badawcze zbudowano na podstawie tej grupy mechanizmów. Aktualnie realizowane są badania, w których poszukiwane są innowacyjne zadaszenia zrealizowane z wykorzystaniem mechanizmów klasy III. Prezentacji wybranych wyników tych dociekań poświęcone jest niniejsze opracowanie. Słowa kluczowe: ruchome dachy, kinematyka, mechanizmy klasy III RETRACTABLE ROOFS WITH CLASS III MECHANISMS IN THEIR CONSTRUCTION Summary This work presents the next stage of researches aimed at finding new solutions for retractable roofs, based on the analysis and the synthesis of mechanisms of which the roofs are constructed. Firstly, a large number of existing roofs were analysed by the matter of literature, patents, norms and technical specifications and then classified in terms of different criteria such as shape, movement performed, covering of the panel fabric and the technology of construction. Furthermore the movement-related mechanisms involved in the construction of these roofs were established. The mechanisms of class II are commonly used in the existing roofs, therefore the first models in the research were constructed based on this particular group of mechanisms. The research in progress at the moment focuses on searching for innovative solutions of roofs constructed with the use of class III mechanisms. This work presents selected solutions resulting from the research. Keywords: retractable roofs, kinematics, mechanisms of III class 1. WSTĘP Ruchome dachy, których burzliwy rozwój datowany jest na XX wiek, towarzyszyły człowiekowi od zarania jego dziejów. Najprostszymi przykładami tego typu zadaszeń są namioty i parasole. Zbudowane w I w n.e. Koloseum Rzymskie to przykład dużego obiektu, w którym zastosowano ruchome tekstylne przekrycie. Rozciągane było ono wprawdzie przez marynarzy, a więc przy użyciu ludzkiej siły, jednak z zastosowaniem wielu urządzeń, dzięki czemu możliwe było zadaszenie 2/3 widowni. Jednym z ważniejszych elementów wyróżniających ruchome dachy jest ich kształt. Przemieszczenie zadaszenia i zmiana jego formy przykuwają uwagę osób 90

Anita Pawlak-Jakubowska, Krystyna Romaniak przebywających zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektu. Stąd szczególna dbałość projektantów o geome- trię tego rodzaju zadaszeń. O ile dachy stałe, w znakouporządkować, o mitej większości, można sklasyfikować i tyle dachy ruchome są często niepowtarzalnymi realiza- i sposobem cjami, zaskakującymi swoim kształtem wykonywania ruchu. Istnieje zatem ciągła potrzeba poszukiwania nowych rozwiązań, nowych w zakresie geometrii oraz technologii wykonania. Próbę klasyfikacji ruchomych zadaszeń ze względu na kształt i wykonywapozycji literatu- ny ruch podejmowali autorzy licznych rowych [1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 11, 12]. Zagadnienie technolo- się z analizą gii wykonania ruchomych przekryć wiąże istniejących rozwiązań, w tym dokumentacji technicznej, patentów i norm. Szczególnie przydatne w tych poszu- wykonaw- kiwaniach są strony internetowe czołowych ców, wśród nich wymienić można: Kugel Architekten [4], Schleich Bergman und Partner [14], Tensinet [16], Unisystem [17]. Tematyka konstrukcji, budowy i techno- jest logii wykonania ruchomych dachów podejmowana między innymi w pracach [1, 3, 7, 8, 10]. Autorki oprabudowie rucho- cowania szczególną uwagę poświęciły mych zadaszeń w zakresie mechanizmów związanych z ich przemieszczeniem. W przeprowadzonej analizie ustalono, iż w istniejących przekryciach panele dachowe połączone są bezpośrednio z członem napędzającym (wózkiem jezdnym) lub za pomocą mechanizmów klasy II. W zadaszeniu stadionu University of Phoenix Sta- są do dium (USA) sztywne panele przytwierdzone wózków jezdnych, napędzanych silnikiem elektrycznym. Kształt torowiska, po którym przemieszczają się wózki, determinuje tor ruchu paneli dachowychh (rys.1). Rys.1. Przekrycie obiektu University of Phoenix Stadium (USA) a) źródło: opracowanie własne na podstawie [13] W przekryciach z panelami zmiennymi tworzące je tkaniny techniczne przymocowane są do ciągnika i wózków jezdnych. Membrany transportowane są po linach jezdnych, które określają kształt zadaszenia (rys.2). Jest on osiągany w pozycji zamkniętej przekrycia po naciągnięciu membrany. Rys.2. Ruchome zadaszenie membranowe obiektu Twierdza Kufstein (Austria), źródło: opracowanie własne na podstawie [4], fotografia [15] W niektórych realizacjach panelee dachowe połączone są z członem napędzającym z wykorzystaniem mechani- składa się z trzech zmów klasy II. Mechanizm taki członów: jednego napędzającego oraz dwóch napędzanych (rys. 3, 4, 7). 2. BUDOWA ZADASZEŃ NA PODSTAWIE MECHANIZMÓW KLASY II W takich obiektach jak Stadion Reliant Huston (USA), Marlins Park Floryda (USA), Wimbledon Centre Court (UK) występują mechanizmy klasy II, które pełnią zróżnicowaną funkcję. W zadaszeniach stadionów Re- Park na Florydzie liant Houston (USA) oraz Marlins (USA) użyto dwóch czworoboków przegubowych, któ- gwałtownych ude- rych zadaniem jest zamortyzowanie rzeń wiatru. Dzięki temu każdy panel dachowy może wykonać ruch w kierunku poprzecznym do kierunku jazdy zadaszenia. W przekryciu Reliant Stadium panele mogą się przesunąć o 21.5 cala względem podstawy. W zadaszeniu Starlight Theater trójkątne panele daobrotowy (rys. 3a) za chowe wprawiane są w ruch pomocą przekładni śrubowej. Rozwiązanie to związane jest z użyciem mechanizmu klasy II, w którym występu- oraz jedna prze- ją trzy pary kinematyczne obrotowe suwna związana z przekładnią śrubową (rys. 3b). a) 91

BUDOWA RUCHOMYCH PRZEKRYĆ DACHOWYCH (...) b) Rys.3. Ruchome zadaszenie obiektu Starlight Theater (USA): a) zdjęcie obiektu [17] b) schemat mechanizmu klasy II realizującego przemieszczenie panelu dachowego, źródło: opracowanie własne W zadaszeniu stadionu Wimbledon Center Court użyto dwóch mechanizmów klasy II (rys. 4c). Z pierwszym połączone są panele dachowe pokryte tkaninami technicznymi. Jego ruch wiąże się z przemieszczeniem segmentu zadaszenia. Zadaniem drugiego jest zachowanie jednakowych odległości między kratownicami za pomocą ramienia stabilizującego. Jego długość decyduje o maksymalnej odległości między dźwigarami kratowymi. a) innowacyjnych rozwiązań, autorki zaproponowały rozwiązania, w których trzy panele dachowe połączono z członami mechanizmu. Jest to propozycja, w której również człon napędzający przemieszcza panel. Po przeanalizowaniu wielu przypadków określono następujące warunki brzegowe: W modelach badawczych panele dachowe połączono bezpośrednio z członami 1, 2, 3 zatem przemieszczenie członów określa tor ruchu dachu (rys. 5). Wszystkie panele uczestniczą w zadaszeniu terenu. Wyeliminowano przypadki wzajemnego przekrywanie się paneli w przedstawionym przypadku panel 2 zasłaniając od góry panel 1 powoduje, że przestaje on pełnić funkcję połaci dachowej (rys. 5a). Przyjęto nachylenie paneli od 10 do 85, co wiąże się z odprowadzeniem wody (rys. 5b). Przyjęte kryteria dotyczące nachylenia paneli (członów), zapewniają bezkolizyjny ruch dachu. Analizę przeprowadzono dla dwóch opcji montażowych. Wyeliminowano przypadki, gdzie sąsiadujące panele, które tworzą kosz w kształcie litery V i przemieszczają się po łuku - utrudnia to zamontowanie rynny, musiałaby posiadać kształt tego łuku (rys. 5c). a) b) b) DWIE OPCJE MONTAŻOWE c) Rys.4. Zadaszenie obiektu Wimbledon Center Court: a) dwa mechanizmy klasy II użyte przy transporcie jednego segmentu przekrycia, fotografie [5], b) schemat mechanizmów klasy II, źródło: opracowanie własne Zaprezentowane przykłady ilustrują dwa sposoby łączenia paneli dachowych z mechanizmem klasy II. W zadaszeniu obiektu Starlight Theater jeden panel dachowy połączony jest z mechanizmem (rys. 3b), w przekryciu stadionu Wimbledon Center Court są to dwa panele dachowe (rys. 4b). Poszukując nowych, c) Rys.5. Warunki brzegowe: a) wzajemne przekrywanie się paneli, b) kąt nachylenia paneli od 10 do 85, c) rynny w kształcie łuku, źródło: opracowanie własne 92

Anita Pawlak-Jakubowska, Krystyna Romaniak Ostatecznie zbudowano trzy modele badawcze: dwa otwierają i zamykają przestrzeń obiektu, w trzecim w wyniku przemieszczenia dach zmienia swój kształt, zachowując stałe zadaszenie obiektu. Na rys. 6 przedstawiono model badawczy, w którym uzyskano otwarcie przestrzeni w wielkości 78%. Rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych elementów wykonano w sposób analogiczny, jak w obiektach istniejących. Przedstawiony model jest wynikiem symetrycznego połączenia dwóch mechanizmów klasy II. Człony napędzające obrotowe ulokowane są na brzegach zadaszenia. a) b) Rys.7. Schematy mechanizmów klasy: a) drugiej, b) trzeciej, źródło: opracowanie własne Ze względu na dużą liczbę członów występujących w budowie mechanizmów klasy III oraz przyjęte warunki brzegowe (rys. 5) panele dachowe nie mogą być połączone ze wszystkimi członami. Dla zawężenia zbioru możliwych rozwiązań, podobnie jak dla mechanizmów klasy II, przyjęto założenie, że pary kinematyczne przesuwne występują tylko przy podstawie (rys. 8). Przyjęto oznaczenia: no liczba par kinematycznych obrotowych, np liczba par kinematycznych przesuwnych. a) NAPĘD OBROTOWY Rys. 6. Model badawczy zadaszenia z obrotowymi członami napędzającymi, źródło: opracowanie własne Uzyskane wyniki w zakresie zadaszeń zrealizowanych na podstawie mechanizmów klasy II stały się inspiracją do poszukiwania nowych rozwiązań wśród mechanizmów wyższych klas. Wybrano klasę III. 3. BUDOWA ZADASZEŃ NA PODSTAWIE MECHANIZMÓW KLASY III b) NAPĘD PRZESUWNY c) NAPĘD PRZESUWNY NAPĘD OBROTOWY NAPĘD OBROTOWY Charakterystyczną cechą mechanizmów klasy III jest występowanie w ich budowie co najmniej jednego członu trójłącznego (w mechanizmach klasy II występowały wyłącznie człony dwułączne). Schemat najprostszego tego typu mechanizmu przedstawiono na rys. 7, zestawiając go z mechanizmem klasy II, dla pokazania zasadniczych różnic. d) NAPĘD PRZESUWNY Rys. 8. Schematy mechanizmów klasy III: a) no = 7, np = 0, b) no = 6, np = 1, c) no = 5, np = 2, d) no = 4, np = 3, źródło: opracowanie własne 93

BUDOWA RUCHOMYCH PRZEKRYĆ DACHOWYCH (...) Przeanalizowano liczne rozwiązania, w których cztery panele dachowe przymocowane są do czterech z pięciu członów. W przypadku mechanizmu zawierającego wyłącznie pary kinematyczne obrotowe, niezależnie od przyjętej konfiguracji paneli i członu napędzającego, uzyskano wyłącznie zadaszenia, które zmieniają swój kształt, zachowując stałe przekrycie danego obiektu (tab.1, poz.1). Ten typ dachu, zachowującego stałe przekrycie obszaru pod zadaszeniem można również uzyskać dla mechanizmów zawierających jedną lub dwie pary kinematyczne przesuwne (tab. 1, poz. 2, 3). Szczególnym przypadkiem zadaszenia jest rozwiązanie zamieszczone w tabeli 1 na pozycji 3. Jest to przypadek, w którym człony napędzające przemieszczają się wzdłuż pionowych prowadnic. Nie prowadzi to do odsłonięcia obszaru pod zadaszeniem, ale następuje przemieszczenie boczne dachu, co prowadzi do bocznego odsłonięcia obiektu. Może to stanowić element wietrzenia lub doświetlenia obiektu. W tabelach 1 i 2 pogrubioną linią wskazano w mechanizmie człony połączone z panelami dachowymi. W aksonometrii prezentowanych modeli przedstawiono dwa symetrycznie połączone przekrycia w skrajnych położeniach. Zakresy ruchu ustalono, uwzględniając warunki brzegowe oraz eliminując położenia osobliwe. Tab. 1. Ruchome przekrycia zachowujące stałe zadaszenie obszaru pod dachem, źródło: opracowanie własne Analiza uzyskanych rozwiązań obejmowała określenie liniowych wielkości: zamknięcia przestrzeni obiektu (rys. 9a), osłonięcia obiektu w przypadku, gdy wszystkie panele dachowe pełnią funkcję zadaszenia (rys. 9b), odsłonięcia obiektu po zaparkowaniu zadaszenia, z uwzględnieniem dwóch przypadków: - woda odprowadzana jest z zadaszenia w jedną stronę (ryc. 9c), - woda odprowadzana jest w dwóch kierunkach (rys. 9d). W tabeli 2 przedstawiono po jednym przykładzie zadaszeń z jedną, dwiema i trzema parami kinematycznymi przesuwnymi. Są to rozwiązania prezentujące najlepsze wyniki w zakresie zamknięcia i otwarciu dachu. a) b) c) d) Lp. Schemat mechanizmu Aksonometria dachu 1 2 Rys.9. Schematyczne przedstawienie ruchomego zadaszenia z napędem przesuwnym. Kolejne fazy otwierania zadaszenia: a) maksymalne zasłonięcie obiektu, b) odsłonięcie 13.6%, c) odsłonięcie (parkowanie) 54.5%, d) maksymalne otwarcie (parkowanie) 55.5%, źródło: opracowanie własne Tab.2. Ruchome zadaszenia z parami przesuwnymi, źródło: opracowanie własne Lp. Schemat mechanizmu Aksonometria dachu 3 76.65% 1 Odsłonięcie przestrzeni pod dachem uzyskano w licznych przypadkach zadaszeń zawierających pary kinematyczne przesuwne przy podstawie. 94

Anita Pawlak-Jakubowska, Krystyna Romaniak 2 71% W przedstawionych rozwiązaniach, spośród pięciu ruchomych członów tworzących mechanizm klasy III, z czterema połączone są panele dachowe. Piąty człon, nieuczestniczący bezpośrednio w przekrywaniu obiektu, pełni rolę wzmacniającą i usztywniającą konstrukcję. 4. WNIOSKI 3 69.45% W większości otrzymanych zadaszeń dwa panele związane z członem napędzającym decydują o przemieszczeniu przekrycia i wielkości otwarcia dachu (rys.10). Zakresy ruchu pozostałych dwóch paneli dachowych są niewielkie, stąd stosowanie tego typu mechanizmu i wprawianie w ruch pięciu elementów, gdy realnie przemieszczają się tylko dwa, nie jest uzasadnione. Rys.10. Schematy ruchomego zadaszenia, w którym o wielkości otwarcia dachu decydują panele związane z napędem, źródło: opracowanie własne Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki wskazują na możliwość określania nowych rozwiązań ruchomych zadaszeń na podstawie badań strukturalnych i kinematycznych mechanizmów. Wykorzystując mechanizmy klasy II, zbudowano zadaszenia, w których możliwe jest odsłonięcie ponad 90% obiektu. W przypadku mechanizmów klasy III, gdy liczba członów w stosunku do klasy II zwiększa się z trzech do pięciu członów oraz występują 3 pary kinematyczne przy podstawie, otrzymano 76% otwarcie zadaszenia. W rozwiązaniach tych jeden napęd wprawia w ruch 5 członów, z czego 4 mogą być połączone z panelami dachowymi. W przekryciach zawierających mechanizmy klasy II jeden napęd przemieszcza trzy człony, które mogą być połączone z panelami dachowymi. W istniejących rozwiązaniach są to zazwyczaj 2 panele. Zwiększenie liczby paneli przemieszczanych za pomocą jednego napędu jest największą zaletą prezentowanych rozwiązań. Dla potwierdzenia możliwości ich wykorzystania w budowie ruchomych dachów należy przeprowadzić dalsze badania w zakresie dynamiki i statyki konstrukcji. W przypadku zadaszeń zbudowanych na podstawie mechanizmów klasy III, dla uzyskania lepszych wyników otwarcia dachu, konieczna jest dogłębna analiza większej liczby przypadków, uwzględniających różne wymiary poszczególnych członów. Literatura 1. Buczkowski W.: Budownictwo ogólne. T. 4. Konstrukcje budynków. Warszawa: Wyd. Arkady, 2009, s. 624. 2. Ferreira Nunes E.: Qualitative investigation of the performance of a structural membrane roof project. Ouro Preto: Praca doktorska, 2012, p. 56. 3. Ishii K.: Structural design of retractable roof structures. Southampton, Boston: WOT Press, 2000, p. 5. 4. Kugel Architekten: www.kugel-wrchitekten.de (dostęp: 08.04.2017). 5. Machine Design by Engiers for Engineers: http://www.moog.com/literature/icd/moog- Wimbledon_Roof_Electromechanical_Actuators-article-en.pdf (dostęp: 08.04.2017). 6. Masubuchi M.: Conceptual and structural design of adaptive membrane structures with spoked wheel principle folding to the perimeter. Berlin: dissertation, 2013, p. 183-212. 7. Otto F.: IL 5 convertible roofs. Stuttgart: Institut for Lighteweight Structures (IL), University of Stuttgart, 1972, p. 45. 8. Pawlak-Jakubowska A.: Ruchome przekrycia budowa geometryczna, kinematyka, technologia wykonania, Rozprawa doktorska. Gliwice: Pol. Śl., 2016, s. 31-35. 9. Pawlak-Jakubowska A. i Romaniak K.: Geometria dachów ruchomych. Geometria Grafika Komputer. [red.] Monika Sroka-Bizoń. Gliwice : Wyd. Pol. Śl., 2016, s. 109-117. 95

BUDOWA RUCHOMYCH PRZEKRYĆ DACHOWYCH (...) 10. Pawlak-Jakubowska A., Romaniak K.: Ruchome dachy z panelami sztywnymi - budowa i technologia wykonania. Materiały Budowlane 2015, nr 5, s. 53-54. 11. Pawlak-Jakubowska A., Romaniak K.: Modelowanie geometrii przekryć ruchomych. Modelowanie Inżynierskie 2015, nr 56, s. 101-107. 12. Pouangare C. i Connor J.: Classification of structural systems for retractable roofs for stadia. Heavy Movable Structures Movable Bridges Affiliate, 3RD Biennial Symposium, November 1990. 13. Riberich B.L.: Retractable stadium roofs and flooring. Interface, January 2009. 14. Schlaich Bergermann und Partner, www.sbp.de (dostęp 8.04.2017). 15. SEFAR, http://www.lopressroom.com/sefar/retractable-sefar-architecture-tenara-fabric- -sustains-fortress-arenakufstein (dostęp 8.04.2017). 16. Tensinet, www.tensinet.com (dostęp 8.04.2017). 17. Unisystem: http://www.uni-systems.com/ (dostęp 8.04.2017). Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl 96