Raziskovanje arhitekture napetosti

Visoka streha letališkega terminala v Denverju. Fotografija: Sandra Leidholdt / Moment / Getty Images (obrezano)

Natezna arhitektura je strukturni sistem, ki pretežno uporablja napetost namesto stiskanja. Natezna in napetost se pogosto uporabljajo zamenljivo. Druga imena vključujejo arhitekturo natezne membrane, arhitekturo tkanine, natezne strukture in lahke natezne strukture. Raziščimo to sodobno, a starodavno tehniko gradnje.

Vlečenje in potiskanje

Arhitektura natezne membrane, letališče Denver 1995, Kolorado. Fotografija: Education Images/UIG/Universal Images Group Collection/Getty Images

Napetost in stiskanje sta dve sili, o katerih veliko slišiš, ko študiraš arhitekturo. Večina konstrukcij, ki jih gradimo, je stisnjenih — opeka na opeko, deska na desko, potiskanje in stiskanje navzdol proti tlom, kjer je teža zgradbe uravnotežena s trdno zemljo. Po drugi strani se napetost obravnava kot nasprotje stiskanja. Napetost vleče in razteza gradbene materiale.

Opredelitev natezne strukture

' Struktura, za katero je značilno napenjanje tkanine ali upogljivega materialnega sistema (običajno z žico ali kablom), da se zagotovi kritična strukturna podpora konstrukciji. '— Združenje tkaninskih struktur (FSA)

Izgradnja napetosti in kompresije

Ko razmišljamo o prvih strukturah, ki jih je naredil človek (zunaj jame), pomislimo na Laugierjeve Primitivna koča (strukture, ki so večinoma stisnjene) in še prej šotorom podobne strukture — tkanina (npr. živalska koža), napeta (napeta) okoli lesenega ali kostnega okvirja. Natezna zasnova je bila primerna za nomadske šotore in majhne tipije, ne pa za Piramide Egipta. Že Grki in Rimljani so ugotavljali, da so veliki kamniti koloseji zaščitni znak dolgoživosti in uljudnosti, mi pa jih imenujemo Klasična . Skozi stoletja je bila napetostna arhitektura potisnjena v cirkuške šotore, viseče mostove (npr. Brooklynski most ) in manjših začasnih paviljonov.

Nemški arhitekt in Pritzkerjev nagrajenec Frei Otto je vse svoje življenje preučeval možnosti lahke, natezne arhitekture – skrbno je izračunal višino drogov, obešanje kablov, kabelsko mrežo in membranske materiale, ki bi jih lahko uporabili za ustvarjanje velikih dimenzij. šotorske strukture. Njegov načrt za nemški paviljon na Expo '67 v Montrealu v Kanadi bi bilo veliko lažje zgraditi, če bi CAD programsko opremo. Toda prav ta paviljon iz leta 1967 je drugim arhitektom utrl pot, da so razmislili o možnostih napetostne konstrukcije.

Kako ustvariti in uporabiti napetost

Najpogostejša modela za ustvarjanje napetosti sta model balona in model šotora. Pri balonskem modelu notranji zrak pnevmatsko ustvarja napetost na membranskih stenah in strehi tako, da potiska zrak v raztegljiv material, kot balon. V modelu šotora kabli, pritrjeni na fiksni steber, vlečejo membranske stene in streho, podobno kot deluje dežnik.

Tipični elementi za pogostejši model šotora vključujejo (1) 'jambor' ali fiksno palico ali komplete palic za podporo; (2) Viseči kabli, ideja, ki jo je v Ameriko prinesel Nemec John Roebling; in (3) 'membrana' v obliki blaga (npr. ETFE ) ali kabelsko mrežo.

Najbolj značilne uporabe te vrste arhitekture so strešne kritine, zunanji paviljoni, športne arene, prometna vozlišča in poltrajna stanovanja po nesrečah.

^{Vir: Združenje Fabric Structures Association (FSA) na www.fabricstructuresassociation.org/what-are-lightweight-structures/tensile}

Znotraj mednarodnega letališča Denver

Notranjost mednarodnega letališča Denver, 1995 v Denverju, Kolorado. Fotografija: altrendo images/Altrendo Collection/Getty Images

Mednarodno letališče Denver je odličen primer natezne arhitekture. Raztegnjena membranska streha terminala iz leta 1994 lahko prenese temperature od minus 100 °F (pod ničlo) do plus 450 °F. Material iz steklenih vlaken odbija sončno toploto, vendar omogoča, da se naravna svetloba filtrira v notranje prostore. Ideja oblikovanja je odražati okolje gorskih vrhov, saj je letališče blizu Skalnega gorovja v Denverju v Koloradu.

O mednarodnem letališču Denver

Arhitekt : C. W. Fentress J. H. Bradburn Associates, Denver, CO
Dokončano : 1994
Posebni izvajalec : Birdair, Inc .
Ideja za oblikovanje : Podobno kot konstrukcija Frei Otto z vrhovi, ki se nahaja v bližini Münchenskih Alp, je Fentress izbral strešni sistem z natezno membrano, ki posnema vrhove Skalnega gorovja Kolorada.
Velikost : 1.200 x 240 čevljev
Število notranjih stebrov : 3. 4
Količina jeklenice 10 milj
Tip membrane : PTFE steklena vlakna , teflon-prevlečena tkana steklena vlakna
Količina tkanine : 375.000 kvadratnih čevljev za streho terminala Jeppesen; 75.000 kvadratnih čevljev dodatne zaščite robnika

^{Vir: Mednarodno letališče Denver in PTFE steklena vlakna pri Birdair, Inc. [dostopano 15. marca 2015]}

Tri osnovne oblike, značilne za natezno arhitekturo

Streha olimpijskega stadiona leta 1972 v Münchnu, Bavarska, Nemčija. Fotografija: Holger Thalmann/STOCK4B/Stock4B Collection/Getty Images

Ta struktura v Münchnu v Nemčiji, ki jo navdihujejo nemške Alpe, vas morda spominja na mednarodno letališče Denver iz leta 1994. Vendar je bila zgradba v Münchnu zgrajena dvajset let prej.

Leta 1967 je nemški arhitekt Günther Behnisch (1922-2010) zmagal na natečaju za preoblikovanje münchenskega odlagališča v mednarodno pokrajino, ki bo gostila XX. poletne olimpijske igre leta 1972. Behnisch & Partner sta ustvarila modele v pesku, da bi opisala naravne vrhove, ki so jih želeli. olimpijska vas. Nato so angažirali nemškega arhitekta Freija Otta, da je pomagal ugotoviti podrobnosti zasnove.

Brez uporabe CAD programske opreme, so arhitekti in inženirji zasnovali te vrhove v Münchnu, da bi prikazali ne le olimpijske športnike, ampak tudi nemško iznajdljivost in nemške Alpe.

Ali je arhitekt mednarodnega letališča v Denverju ukradel načrt Münchna? Mogoče, ampak južnoafriško podjetje Napete konstrukcije poudarja, da so vsi natezni modeli izvedeni iz treh osnovnih oblik:

• ' Stožčasta – Stožčasta oblika, za katero je značilen osrednji vrh“
• ' Barrel Vault – obokana oblika, za katero je običajno značilna ukrivljena oblika loka“
• ' Hypar – Zvita prosta oblika '

^{Viri: Tekmovanja , Behnisch & Partners 1952-2005; Tehnične informacije , Napete konstrukcije [dostopano 15. marca 2015]}

Large in Scale, Light in Weight: Olimpijska vas, 1972

Pogled iz zraka na olimpijsko vas v Münchnu, Nemčija, 1972. Fotografija Design Pics/Michael Interisano/Perspectives Collection/Getty Images

Gunther Behnisch in Frei Otto sta sodelovala pri zazidanju večine olimpijske vasi iz leta 1972 v Münchnu v Nemčiji, enega prvih obsežnih projektov napetostne strukture. Olimpijski stadion v Münchnu v Nemčiji je bil le eno od prizorišč, ki uporabljajo natezno arhitekturo.

Münchenska struktura, ki naj bi bila večja in veličastnejša od Ottovega paviljona Expo '67, je bila zapletena membrana kabelske mreže. Arhitekti so za dokončanje membrane izbrali 4 mm debele akrilne plošče. Trdi akril se ne razteza kot tkanina, zato so bile plošče 'fleksibilno povezane' s kabelsko mrežo. Rezultat je bila izklesana lahkotnost in mehkoba celotne olimpijske vasi.

Življenjska doba strukture natezne membrane je spremenljiva, odvisno od vrste izbrane membrane. Današnje napredne proizvodne tehnike so podaljšale življenjsko dobo teh struktur z manj kot enega leta na več desetletij. Zgodnje strukture, kot je olimpijski park iz leta 1972 v Münchnu, so bile resnično eksperimentalne in zahtevajo vzdrževanje. Leta 2009 je nemško podjetje Hightex je bil angažiran za namestitev nove viseče membranske strehe nad olimpijsko dvorano.

^{Vir: Olimpijske igre 1972 (München): Olimpijski stadion, TensiNet.com [dostopano 15. marca 2015]}

Detajl natezne strukture Freija Otta v Münchnu, 1972

Olimpijska strešna konstrukcija, ki jo je zasnoval Frei Otto, 1972, München, Nemčija. Fotografija LatitudeStock-Nadia Mackenzie/Gallo Images Collection/Getty Images

Današnji arhitekt ima nabor izbire tkaninske membrane med katerimi lahko izberete — veliko več 'čudežnih tkanin' kot arhitekti, ki so leta 1972 oblikovali streho olimpijske vasi.

Leta 1980 je avtor Mario Salvadori tako razložil natezno arhitekturo:

Ko je mreža kablov obešena na primerne podporne točke, lahko čudežne tkanine obesimo nanjo in jih raztegnemo čez relativno majhno razdaljo med kabli omrežja. Nemški arhitekt Frei Otto je bil pionir pri tej vrsti strehe, pri kateri mreža tankih kablov visi s težkih mejnih kablov, podprtih z dolgimi jeklenimi ali aluminijastimi drogovi. Po postavitvi šotora za zahodnonemški paviljon na Expo '67 v Montrealu mu je uspelo pokriti stojnice Olimpijski stadion v Münchnu ... leta 1972 s šotorom, ki pokriva osemnajst hektarjev, podprt z devetimi stisnjenimi stebri, visokimi do 260 čevljev, in mejnimi kabli za prednapenjanje z nosilnostjo do 5000 ton. (Mimogrede, pajka ni enostavno posnemati – ta streha je zahtevala 40.000 ur inženirskih izračunov in risb.)'

^{Vir: Zakaj zgradbe stojijo Mario Salvadori, McGraw-Hill Paperback Edition, 1982, str. 263-2}

Nemški paviljon na Expo '67, Montreal, Kanada

Nemški paviljon na Expo 67, 1967, Montreal, Kanada. Photo Atelier Frei Otto Warmbronn prek PritzkerPrize.com

Nemški paviljon Expo '67 iz leta 1967, ki so ga pogosto imenovali prva velika lahka natezna konstrukcija, je bil montažno izdelan v Nemčiji in poslan v Kanado za sestavljanje na kraju samem, pokrival je samo 8000 kvadratnih metrov. Ta eksperiment v natezni arhitekturi, ki je za načrtovanje in gradnjo porabil le 14 mesecev, je postal prototip in vzbudil apetit nemških arhitektov, vključno z njegovim oblikovalcem, bodočim Pritzkerjevim nagrajencem Freijem Ottom.

Istega leta 1967 je nemški arhitekt Günther Behnisch dobil naročilo za olimpijska prizorišča leta 1972 v Münchnu. Načrtovanje in izdelava njegove natezne strešne konstrukcije je trajala pet let in je pokrivala površino 74.800 kvadratnih metrov – daleč od predhodnika v Montrealu v Kanadi.

Izvedite več o natezni arhitekturi

• Svetlobne konstrukcije - Strukture svetlobe: umetnost in inženiring natezne arhitekture, ilustrirana z delom Horsta Bergerja avtor Horst Berger, 2005
• Natezne površinske strukture: Praktični vodnik za konstrukcijo kablov in membran avtor Michael Seidel, 2009
• Strukture natezne membrane: ASCE/SEI 55-10 , Asce Standard Ameriškega združenja gradbenih inženirjev, 2010

^{Viri: Olimpijske igre 1972 (München): Olimpijski stadion in Expo 1967 (Montreal): Nemški paviljon, zbirka podatkov o projektih TensiNet.com [dostopano 15. marca 2015]}