KONSTRUKCJE PRZESTRZENNE 1 Wstęp Rozdział ten dotyczy drewnianych konstrukcji przestrzennych, głównie przekryć dachowych. Konstrukcje te są szczególnie interesujące zarówno z punktu widzenia architektonicznego, jak i ekonomicznego. 2 Cechy konstrukcji przestrzennych Termin konstrukcja przestrzenna może być zrozumiany jako systemy konstrukcyjne, które mogą przenieść wszystkie obciążenia wprost na podpory i fundamenty. Przestrzenna konstrukcja wygląda na jeden moduł - obiekt przestrzenny. Projektując i badając konstrukcje przestrzenne trzeba brać pod uwagę wzajemną współpracę pojedynczych części nośnych. Nie można stosować rozwiązywać tego zadania przez rozkład konstrukcji na oddzielne, niezależne części, ponieważ nie korespondowałoby to z prawdziwym zachowaniem konstrukcji. W przyrodzie można znaleźć wiele inspirujących przykładów "konstrukcji przestrzennych", takich jak skorupki jajka albo łupiny orzecha, pajęczyny, bańki mydlane, muszle, itp. W inżynierii budowlanej można znaleźć rozliczne przykłady konstrukcji przestrzennych, nawet ze Starożytności. Na przykład, kopuła Panteonu w Rzymie zbudowana przez Agrippę w 27 r. p.n.e., która jest największą kopułą z niezbrojonego betonu, do współczesnych czasów, opisaną na kuli o średnicy 43.3m. Innym przykładem starych konstrukcji tego typu są namioty azjatyckich koczowników stepowych. Rozwój konstrukcji przestrzennych nasilił się znacznie w latach 50 XX. wieku, w związku z rozwojem techniki komputerowej i oprogramowania. Rozwój ten objął również obszar przestrzennych konstrukcji drewnianych. Wykorzystanie konstrukcji przestrzennych wykazuje wyraźne zalety w porównaniu z konstrukcjami płaskimi: Wszystkie konstrukcyjne elementy przyczyniają się nośności, co najczęściej prowadzi do oszczędności materiałowych. Drewniane konstrukcje przestrzenne 170
Obciążenia są rozprowadzone na podpory bardziej równomiernie. Istnieje bogatszy wybór podparć i kształtów (np. zmienność przekrojów). Ugięcia są zredukowane w porównaniu z konstrukcjami płaskimi o podobnej wadze. Konstrukcje przestrzenne zapewniają wręcz nadmiar niezawodności. Awaria ograniczonej liczby elementów niekoniecznie prowadzi do ogólnej katastrofy konstrukcji, wskutek czego mają one dużą odporność na uszkodzenia spowodowane przez ogień, wybuch albo aktywność sejsmiczną. Konstrukcje przestrzenne są zazwyczaj modułowe, co umożliwia wysoki stopień prefabrykacji i związane z tym zalety (precyzja wykonania, łatwiejszy transport i montaż). W przestrzennej konstrukcji nośnej łatwiej jest montować instalacje. Przestrzenne konstrukcje zazwyczaj wyglądają bardzo estetyczne i nietypowo. Wykorzystanie konstrukcji przestrzennych ma też wady, do których zaliczamy: Są kosztowne w porównaniu z alternatywnymi systemami konstrukcyjnymi, zwłaszcza przy krótkich rozpiętościach. Liczba i zawiłość węzłów mogą prowadzić do dłuższego czasu wznoszenia, zależnie od typu węzłów i modułu rusztu. Kiedy wymagane jest zabezpieczenie przeciwpożarowe, są droższe z powodu wielkiej liczby i stosunkowo dużej powierzchni efektywnej elementów. 3 Klasyfikacja konstrukcji przestrzennych Konstrukcje przestrzenne mogą być podzielone według wielu różnych kryteriów. Podstawowa klasyfikacja dotyczy: kształtu geometrycznego, konstrukcji, struktury powierzchni. 3.1 Kształt geometryczny Geometryczne formy konstrukcji przestrzennych mogą być podzielone według różnych kryteriów. Płaszczyzny konstrukcji przestrzennych mogą być utworzone przez translację albo obrót segmentów bądź krzywych, zgodnie z zasadami geometrii wykreślnej. Na przykład, powierzchnia cylindra może być scharakteryzowana jako powierzchnia obrotowa powstała przez obrót linii wokół środka obrotu albo jako translację powierzchni stożkowej wzdłuż linii. Podobnie, paraboloida hiperboliczna może być przedstawiona jako powierzchnia założona Drewniane konstrukcje przestrzenne 171
przez system linii łączących punkty na dwóch nie przecinających się liniach albo może być utworzony przez translację paraboli w parabolę. Kształt geometryczny powinien być określony z punktu widzenia jego zachowania statycznego i analizy konstrukcyjnej. Jej krzywizna ma największe konsekwencje dla statycznej efektywności konstrukcji przestrzennych. Konstrukcje przestrzenne mogą być podzielone na: Płytowe Tarczownicowe Powłokowe jednokrzywiznowe Powłokowe dwukrzywiznowe 3.2 Konstrukcja Projektowanie konstrukcyjne odzwierciedla często sposób realizacji, tj. konstrukcyjną aplikację szczególnej powierzchni geometrycznej. Na przykład, powierzchnia walcowa może być zaprojektowana w formie sklepienia albo może być podwieszona. 3.3 Struktura powierzchni Finalna część nośna płaszczyzny konstrukcji przestrzennej (bez pokrycia dachowego i warstw izolacji) może być stworzona jako struktura stała, z powierzchnią o zwężającej się ku końcowi grubości, która może być zmieniana na powierzchni ze względu na stan naprężeń. Ten typ konstrukcji nazywa się strukturą ciągłą. Ciągłe konstrukcje zbrojone są tworzone przez zbrojenie konstrukcji ciągłej żebrami, w pewnych odległościach, na całej powierzchni. Konstrukcja sieciowa powstaje, gdy powierzchnia składa się z kratownic leżących na jednej płaszczyźnie (albo na zakrzywionej powierzchni), połączonych w węzłach. Kiedy pręty nie znajdują się w jednej płaszczyźnie, a węzły są przestrzenne, powstaje tak zwana konstrukcja ramowa. Przy dużych rozpiętościach, kiedy powierzchnia musi zabezpieczać konstrukcję przed wyboczeniem, będącym tu głównym kryterium nośności, możliwe jest zaprojektowanie systemu konstrukcyjnego dwu-powłokowego. Z innego punktu widzenia, konstrukcje przestrzenne mogą być podzielone na kratownicowe, ciągłe (solid) albo kombinowane. Konstrukcje oparte na kratownicy są stworzone przez ustawione przestrzennie i wzajemnie połączone kratownice. Konstrukcje ciągłe (tarczownice i powłoki) są tworzone przez elementy płaskie. Konstrukcje kombinowane są tworzone przez wzajemne połączenie prętów i elementów powierzchniowych w węzłach i wzdłuż brzegów. Drewniane konstrukcje przestrzenne 172
4 Typy przestrzennych konstrukcji dachowych 4.1 Konstrukcje płytowe Geometrycznie, konstrukcje płytowe mogą być zdefiniowane przez płaskie powierzchnie środkowe. Kategoria ta jest reprezentowana przez płyty stropowe i płyty o konstrukcji siatkowej. Panele stropowe (kasetony) są wzmocnionymi płytami, składającymi się z ramy żebrowej z poszyciem z płyt wielko-powierzchniowych. Płyty ze strukturą siatkową mogą być, zależnie od orientacji konstrukcji nośnej, zaprojektowane jako systemy ortogonalne lub zastrzałowe. Formalnie rzecz biorąc, najtrudniejszy szczegół stanowią węzły konstrukcji; są to miejsca krzyżowania się prętów, gdzie trzeba w maksymalnym stopniu eliminować osłabienie elementów. 4.2 Tarczownice Tarczownica jest elementem nośnym składającym się z cienkościennych elementów belkowych. Drewnopochodne płyty tarczownicowe są produkowane od połowy XX. wieku. Ściany są zazwyczaj zaprojektowane z płyt wielkowymiarowych (zazwyczaj ze sklejki) połączonych skośnie pod kątem 40-50. Zaletą konstrukcji szczytowych jest ich konstrukcyjną różnorodność i wyższa efektywność statyczna, w porównaniu z innymi konstrukcjami płaskimi. 4.3 Powłoki Powłoki są cienkimi i sztywnymi membranami, które samodzielnie tworzą pokrycie dachowe, wliczając w to konstrukcję nośną i powierzchnię dachu. Grubość powłoki jest niewielka, w porównaniu do swoich wymiarów. Wytrzymałość i sztywność powłoki zależą od jej krzywizny. Powłoki mogą być jedno- albo dwu-krzywiznowe. Powierzchnie wielokrzywiznowe są zazwyczaj sztywniejsze niż jednokrzywiznowe. Smukłość powłoki jest możliwa do osiągnięcia dzięki pracy jako konstrukcja powierzchniowa; jednakże, jest to uwarunkowane przez wysoką jakość projektowania, dopracowane detale i uważny montaż. Konstrukcja powłokowa może być zarówno zwarta (utworzona przez warstwy skrzyżowanych płyt), zbrojona ciągle, jak i o konstrukcji siatkowej (lamelowana). 4.3.1 Powłoki jednokrzywiznowe Powłoki jednokrzywiznowe są podparte na elementach czołowych (podwalinach), przez co tworzą bezramową bryłę o określonej średnicy, lub też są wsparte wzdłuż obwodu, tworząc cienkie sklepienia. Kategoria ta obejmuje powierzchnie walcowe i konoidy. Sklepienia laminowane są zazwyczaj projektowane jako cylindryczne powierzchnie nośne, podparte zazwyczaj odcinkowo. Krzywą tworzącą jest zazwyczaj koło. Przykład sklepienia laminowanego o rozpiętości 30m, wysokości 17m i długości 42m jest pokazany na rys. 1. Sklepienie takie zostało zastosowane w hali sportowej z lat 50-tych Drewniane konstrukcje przestrzenne 173
XX.w. w mieście Ostrawa (Czechy), i wciąż spełnia swoje funkcje. Drewniana lamela tworząca tego sklepienia jest łączona parami śrub stalowych. Na rys. 2 pokazano szczegół połączenia lameli przy szczycie kopuły. Fig. 1 Sklepienie lamelowe dachu hali sportowej w Ostrawie Fig. 2 Detal połączenia lameli dachowych w szczycie hali Drewniane konstrukcje przestrzenne 174
4.3.2 Powłoki dwukrzywiznowe Kategoria ta zawiera dwie obrotowe symetryczne struktury na rzucie kołowym albo wieloboku (kopuła) i powierzchnie translacyjne w dowolnej płaszczyźnie. 4.3.3 Powierzchnie obrotowe kopuły Kopuły są konstrukcjami powłokowymi, które przenoszą obciążenia głównie przez siły błonowe. Ta bardzo efektywna droga przenoszenia sił jest osiągnięta przez ściskanie, rozciąganie i siły tnące w płaszczyźnie powłoki, co oznacza, że naprężenia są równo rozdzielone w przekroju poprzecznym, dzięki czemu możliwe są do zbudowania elementy cienkościenne. Dlatego też, te smukłe konstrukcje muszą być odpowiednio przeanalizowanie w związku z problem stateczności miejscowej (ściskanie powoduje odchylenie z płaszczyzny powłoki wyboczenie). Kopuły mają zazwyczaj formę geodezyjną. Kopuły o zwartej konstrukcji (solid) są stosowane rzadko i na niewielkich rozpiętościach. Zwykłe tworzy się kopuły wzmacniane ciągle (z żebrami rozchodzącymi się promieniście), albo jako konstrukcje siatkowe. Kopuły z konstrukcją siatkowa są popularniejsze od kopuł zwartych, z powodu łatwiejszego wykonania powierzchni dwukrzywiznowej z węzłami przestrzennymi. Przykłady typów kopuł z konstrukcją siatkową są pokazane na rys. 3. Rys. 3. Typy kopuł siatkowych: górna lewa żebrowana promieniście, środkowa lewa trójkątna, dolna lewa sześciokątna, górna prawa sferyczna, środkowa prawa geodezyjna, dolna prawa sposób tworzenia struktury geodezyjnej. Drewniane konstrukcje przestrzenne 175
Przykład hali sportowej o kopule żebrowanej promieniście pokazano na rys.4. Kopuła ma rozpiętość 105m, wysokość w zwieńczeniu 18,5m, zaś promień krzywizny linii środkowej wynosi 85m. Halę zbudowano w Żilinie (Słowacja) w roku 1982. Układ nośny stanowi system 44. pół-łuków z drewna klejonego. Łuki są zakotwione w fundamencie pierścieniowym, zaś w punkcie szczytowym łuki są połączone za pomocą stalowej latarni o średnicy 5m. Wysokość przekrojów łuków jest zmienna, od 800 do 1900mm, zaś szarość jest stała i wynosi 240mm. Lamele powłoki (między łukami) klejone są klejem FR-63. Rys. 4. Kopuła hali sportowej w Žilinie (Słowacja) Rysunki 5 i 6 pokazują kopułę hali sportowej pokrywającej dach Tacoma Dome w USA, o rozpiętości 160m. Hala została otwarta w 1983 roku, i jest jedną z największych drewnianych hal na świecie, jeśli chodzi o rozpiętość. Geometryczny system kopuły reprezentuje połączenie kopuł heksagonalnych i trójkątnych. System nośny kopuły składa się z siatki kratownic z drewna klejonego. Zewnętrzny pierścień ma kształt kopuły trójkątnej, aby uniknąć nieregularnej krawędzi, typowej dla kopuły heksagonalnej. Wszystkie pozostałe wewnętrzne pierścienie są uformowane jako kopuły heksagonalne z żebrami, równoległymi w trzech osiach. Elementy główne są wykonane z daglezji, o szerokości 170-220mm i wysokości 750mm. W połączeniach wykorzystano płytki stalowe i śruby. Poszycie stanowią deski z daglezji, łączone na wpust i pióro, o grubości 50mm. Jako podparcie służy żelbetowy pierścień sprężony. Wart uwagi jest fakt, że do wzniesienia dachu wystarczyły dwa miesiące (!). Drewniane konstrukcje przestrzenne 176
Fig. 3 Tacoma Dome w USA (z: internet) Fig. 4 Konstrukcja wsporcza Tacoma Dome w USA (z: internet) 4.3.4 Powłoki podwieszone Powłoki podwieszone są ciekawą odmianą konstrukcji przestrzennej, rozciągniętej w swojej płaszczyźnie. Dzięki stabilizacji kształtu, głównie przeciwko ssaniu wiatru i w celu wstępnego napięcia, powłoki te powinny być zagięte w dwóch kierunkach. W przypadku drewna, te lekkie konstrukcje są wzmocnione żebrami w sposób ciągły. Przykładem takiej struktury podwieszonej jest dach EXPO 2000 w Hanowerze (rys. 7). Ogromne przerycie wolnostojące składa się z kwadratowych okapów, każdy pokrywający obszar z 39 x 39m, składający się ze wsporników i użebrowanych powłok, umieszczonych na słupie/wieży o wysokości 18m. Słupy składają się z 4 części o przekroju stożkowym. Drewniane konstrukcje przestrzenne 177
Projektując ten dach, trzeba było wziąć pod uwagę asymetryczne obciążenie śniegiem i ciśnienie wiatru. Rys.5. Przekrycie pawilonu - EXPO 2000 w Hannowerze (internet) Innym przykładem konstrukcji tego typu jest dach w Kościele Niepokalanego Poczęcia w Pradze-Strašnicach (rys. 8). Drewniana konstrukcja kościoła ma kształt podobny do czworobocznej piramidy, położonej na żelbetowej, kwadratowej podstawie (30 x 30m). Ostrosłup ma wysokość 23,5m. Główna konstrukcja podpierająca składa się z węzłów narożnikowych ze środkową kolumną z drewna klejonego. Węzły są połączone stalowymi płytkami i gwoździami. Drewniane pokrycie dachowe ma formę paraboloidy hiperbolicznej. Powłoka składa się z czterech warstw krzyżujących się lameli. Dwie najniższe warstwy mają puste przestrzenie i tworzą sufit. Wszystkie warstwy, o całkowitej grubości 68mm, są podłączone gwoździami i sklejone nawzajem na brzegu powłoki. Konstrukcja powłoki była zaprojektowana z wykorzystaniem teorii błonowej, bez wykorzystania techniki komputerowej. Drewniane konstrukcje przestrzenne 178
Fig. 5 Kościół Niepokalanego Poczęcia w Pradze-Strašnicach 5 Zakończenie Przestrzenne konstrukcje drewniane pokryć dachowych stanowią dużą i różnorodną grupę konstrukcji, w zasadzie o dowolnej strukturze, które mogą spełniać duże wymagania architektów i konstruktorów w kategorii pokryć dachowych. Ponadto, niemal zawsze mamy tu do czynienia z konstrukcjami bardzo oryginalnymi i wywołującymi duże wrażenie estetycznie. Drewniane konstrukcje przestrzenne 179
Drewniane konstrukcje przestrzenne 180