W budownictwie nieustannie poszukuje się nowych rozwiązań. Ich rozwój warto prześledzić na przykładach konstrukcji wykonanych zarówno na świecie, jak i w Polsce. Szybko dochodzi się do wniosku, że wznoszone obiekty są coraz lżejsze i bardziej zaawansowane technologicznie.
W budownictwie nieustannie poszukuje się nowych rozwiązań. Ich rozwój warto prześledzić na przykładach konstrukcji wykonanych zarówno na świecie, jak i w Polsce. Szybko dochodzi się do wniosku, że wznoszone obiekty są coraz lżejsze i bardziej zaawansowane technologicznie.
Omawiane obiekty pokazano na zdjęciach i zaopatrzono krótkimi komentarzami dotyczącymi podstaw teoretycznych, badań doświadczalnych, zastosowań nowych systemów konstrukcyjnych i materiałów.
Lekkie konstrukcje w inżynierii lądowej
W 1995 r. Komitet Naukowy konferencji na temat Konstrukcji Lekkich w Inżynierii Lądowej (skrót ang. LSCE) opracował następującą definicję: konstrukcje lekkie należą do obiektów budowlanych wzniesionych przez ludzi, które wyróżniają się
w porównaniu do podobnych, wybudowanych poprzednio, stosunkowo małą ilością wbudowanego materiału i zapewniają jednocześnie ekstremalnie wysokie parametry eksploatacyjne: duże rozpiętości dachów lub mostów bez stosowania podpór pośrednich, wysokość budynku, masztu lub wieży, ekstremalnie duże swobodne powierzchnie lub objętości użytkowe hal, zbiorników i rezerwuarów.
W obecnym budownictwie są stosowane niemal wszystkie znane dotąd tradycyjne i nowe materiały, lecz użyte niekonwencjonalnie. Pozwala to osiągać bardzo często wyjątkowe parametry wznoszonego obiektu. Niebywałe wcześniej możliwości osiąga się dzięki nowym schematom konstrukcyjnym w połączeniu z zastosowaniem lekkich, lecz bardzo wytrzymałych materiałów. Pozwala to osiągać większe rozpiętości lub wysokości wież, masztów i budynków. Ciężar własny dla konstrukcji nie jest korzystny.
Warto tu przypomnieć mądrą sentencję, wypowiedzianą przez założyciela IASS (International Association for Shell and Spatial Structures) – Eduardo Torroja (1899–1961): „z konstrukcji należy usunąć cały zbędny materiał”.
Lekki dach, ściany, ścianki działowe i tymczasowe oraz stropy generują lżejsze elementy podpierające: ściany nośne, słupy i fundamenty. W konsekwencji mamy mniej wbudowanego materiału, łatwiejszy montaż przy zastosowaniu lżejszych dźwigów czy nawet montaż ręczny, krótszy czas budowy i w sumie znacznie tańszą inwestycję.
Najlepsze przykłady rozwoju konstrukcji lekkich prezentują podane w bibliografii książki. Wskazane zostały jedynie ciekawsze opracowania monograficzne. Przegląd literatury dowodzi, że szybki rozwój konstrukcji lekkich obserwowano od połowy XX w.
Niemożliwe jest wspomnienie w jednym artykule wszystkich typów budowanych obiektów. Z tego powodu omówiono krótko jedynie niektóre z nich, bardziej typowe. Szerszą dokumentację konstrukcji lekkich zbudowanych na świecie podano np.
w książkach: Makowskiego [19], Bródki [3], Isono [15–17], Saitoha [27], Obrębskiego [24] oraz księgach konferencyjnych LSA ’86, ’98 [10, 28].
Dachy dużych rozpiętości bez podpór pośrednich
Fot. 1. Powłoka żelbetowa
zaprojektowana przez Islera
Fot. 2. Powłoka żelbetowa nad halą lotniska w Kijowie, Rosja
Jako pierwsze wskazać można kopuły żelbetowe, fot. 1, 2. Do najbardziej znanych należą te zaprojektowane przez Torroja i Islera (patrz LSCE ’95 księgi [24] lub [17]). Szczególnie powłoki Islera są projektowane w niemal stanie bezmomentowym.
Różne typy ciągłych powłok drewnianych czy żebrowo-powłokowych były budowane na całym świecie. Największa powłoka drewniana ma 162 m swobodnej rozpiętości (Takoma, USA, 1983 – za Makowskim LSCE’ 95 [24]).{mospagebreak}
Fot. 3. Wnętrze krytego stadionu Nagoja w Nagoji, Japonia
Fot. 4. Kryta hala wielofunkcyjna w Singapurze – M. Kawaguchi
Fot. 5. Konstrukcja kopuły prętowej nad stadionem wykonanej w systemie Orona
Fot. 6. Hall wejściowy centrum konferencyjnego, Nagoja, Japonia
Z kolei przestrzenne konstrukcje prętowe pozwalają osiągać duże rozpiętości przekryć bez stosowania podpór pośrednich. Projekty takie dotyczą dachów lub stropów płaskich, walcowych, beczkowych i kopuł. Największe kopuły prętowe, wykonane ze stali, osiągały nawet powyżej 200 m rozpiętości. Te konstrukcje wykazują dobrą sztywność. Ich podstawową ideą jest zastosowanie najlepiej jednego typowego pręta i węzła lub najwyżej kilku. Pozwala to na zminimalizowanie kosztów produkcji.
Fot. 7. Konstrukcja wykonana w systemie Space Frame
Fot. 8. Konstrukcja dachu nad biblioteką w Watykanie
Obszerne przedstawienie takich konstrukcji podano w książkach Makowskiego, np. [19] (1963), Büttnera i Stenkera [4] (1970), Bródki et al. [3] (1985) i Nooshina [23] (1991), Baruckiego (o S. du Chateau) [2]. Następnym źródłem informacji są słynne konferencje światowe zainicjowane w Anglii przez Makowskiego (1967, 1975, 1984, 1993, 2002) [18, 30, 22, 25, 26], światowe czasopismo „Space Structures” zainicjowane i przez wiele lat wydawane przez Makowskiego i Nooshina [20], a od roku 2005 prowadzone przez Motro (Francja) i Chiltona (Anglia) [21]. W końcu należy wskazać księgi konferencyjne i czasopisma wydawane przez IASS [1] oraz IABSE, wszystkie o światowym zasięgu.
Fot. 9. Przykład trójwarstwowej płaskiej konstrukcji typu UNIBAT – S. du Chateau
Fot. 10. Narodowy stadion olimpijski w Pekinie, zbliżenie, październik 2006
Dwa przykłady odejścia od zasady powtarzalności typowych węzłów i prętów pokazują fot. 9, 10.{mospagebreak}
Innym typem konstrukcji lekkich są systemy rozciągane bazujące na linach, membranach lub na obydwu tych elementach, fot. 11–18. Konstrukcje linowe są klasyfikowane jako wiszące lub podwieszone, w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych. W konstrukcjach podwieszonych siły w linach powodują ściskanie elementów podwieszonych.
Fot. 11. Wielofunkcyjna hala sportowa w głównej wiosce olimpijskiej w Sydney – dach podwieszony na czterech słupach
Fot. 12. Zadaszenie nad niewielką trybuną, podwieszone na jednym słupie, w głównej wiosce olimpijskiej w Sydney
Fot. 13. Membrana stalowa nad krytą halą welodromu w Moskwie
Fot. 14. Millenium Dome w Londynie
Istnieją budynki przekryte membranami tekstylnymi (ang. fabric) czy też stalowymi (głównie w Rosji, fot. 13).
Najobszerniejszy katalog konstrukcji membranowych (tekstylnych) podał Ishii [11–13]. Konstrukcje te osiągają znaczne rozpiętości. Dobrym przykładem jest Millenium Dome (Anglia), gdzie zewnętrzny wymiar kopuły osiąga ok. 300 m; kopuła podwieszona na masztach pośrednich.
Fot. 15. Zadaszenie trybun wykonane z membran firmy Ferrari
Fot. 16. Dach membranowy nad stadionem w Stuttgarcie
Fot. 17. Przykład dachu hali podtrzymywanej nadciśnieniem powietrza
Fot. 18a. Widok ogólny na krytą halę sportową Atlanta Dome – obiekt przykryty membraną tekstylną
Fot. 18b. Widok wewnętrzny konstrukcji dachu hali Atlanata Dome – widoczne: pierścień głównej liny napinającej, liny promieniowe i słupki rozpierające
Potem przyszła moda na konstrukcje cięgnowo-prętowe (po angielsku tensegrity), gdzie niewiele prętów lub pierścieni ściskanych jest połączone ze znacznie większą liczbą cięgien – na ogół lin. Osiąga się większe rozpiętości, lecz konstrukcje są znacznie mniej sztywne. Mogą być stosowane jako dachy płaskie, kopuły, a nawet wieże. Dobrym przykładem tego typu rozwiązań jest obiekt olimpijski w Atlancie, USA (Atlanta Dome), gdzie nieliczne słupki rozpierają zespół lin i membranę stanowiącą zewnętrzną powłokę (fot. 18). Do znanych twórców takich konstrukcji należą m.in. D. Geiger (USA), R. Motro (Francja), J. Rębielak (fot. 19, rys. 1).
Fot. 19. Propozycja konstrukcji dachu typu linowo-prętowej (tensegrity) – autor J. Rębielak, Polska
Rys. 1. Inna propozycja konstrukcji dachu typu linowo-prętowej (tensegrity) – autor J. Rębielak, Polska
{mospagebreak}
Od ok. 2001 r. coraz popularniejsze są lekkie konstrukcje pneumatyczno-prętowo-cięgnowe (ang. tensairity structures), rozwijane przez R.H. Luchsingera, A. Pedretti, M. Predetti i P. Steingrubera (konferencje: SEMC 2003 zorganizowana w Kapsztadzie przez A. Zingoniego, RPA i IASS 2004 przez R. Motro, Montpellier, Francja). Pneumatyczna rura jest w strefie ściskanej usztywniona prętem stalowym i opleciona spiralnym rozciąganym cięgnem (jednym lub więcej tworzącymi jedną lub więcej „fal”; rys. 2, fot. 20). Innymi konstrukcjami, które można zaliczyć do tego typu, zajmuje się w Polsce R. Tarczyński.
Fot. 20. Test mostu o rozpiętości 8 m i nośności 3,5 t
Powyższa lista powinna być uzupełniona licznymi przykładami konstrukcji hybrydowych, gdzie podane wyżej kategorie systemów konstrukcyjnych są stosowane wspólnie.
Rys. 2a. Porównanie belki pneumatyczno-prętowo-cięgnowej z konstrukcją linowo-prętową.
Rys. 2b. Elementy składowe belki pneumatyczno-prętowo-cięgnowej: rura z membrany tekstylnej, sztywny stalowy pręt w strefie ściskanej oraz linki stalowe
Specjalną grupę konstrukcji hybrydowych stanowią dachy ze zmieniającą się czasowo geometrią. Wymienić tu można następujące ich odmiany: składane lub fałdowane (ang. folded), rozwijane (ang. expandable) i przejezdne lub wciągane (ang. retractable). Te ostatnie są szeroko opisane w pracy zbiorowej pod redakcją ogólną Ishiiego, 2000 [14]. Przykładem takiego dachu jest stadion Toyoty w mieście Toyota, Japonia (fot. 21).
Fot. 21a. Widok wnętrza stadionu Toyoty
Fot. 21b. Szczegół fałdowanej konstrukcji dachu stadionu Toyoty podczas rozsuwania
{mospagebreak}
Budynki wysokie
Fot. 22a. Taipei 101, Tajwan, widok z dużej odległości
Fot. 22b. Taipei 101 widok z dołu na tymczasową roboczą windę towarowo-osobową
Fot. 22c. Taipei 101 widoczne dwie z ośmiu superkolumn nośnych na 88 piętrze i konstrukcja stalowa stropu
Budynki wysokie mają bardzo obszerną literaturę, np. [5, 29].
Obecnie najwyższy budynek Taipei 101 (Tajwan) ma wysokość 509 m (zob. LSCE 2003 [24], fot. 22). Budynek ma osiem silnych stalowych superkolumn wypełnionych żelbetem (fot. 22c).
Z uwagi na strefę sejsmiczną dla tłumienia drgań zastosowano w górnej części wieży masowy tłumik typu wahadłowego z dużą stalową kulą o średnicy 5,6 m i masie 680 t. Ze względów pożarowych całkowicie stalowe szkielety budynków nie są polecane (przykład katastrofy wież World Trade Centre w Nowym Yorku). Stropy, ściany zewnętrzne i działowe są współcześnie projektowane jako stosunkowo lekkie.
Fot. 23. Konstrukcja Petronas Twin Tower (451,9 m), Kuala Lumpur
W rejonie sejsmicznym budynki o wysokościach nawet do 270 m są zabezpieczone przed trzęsieniami ziemi przez różnego typu tzw. systemy kontrolne. Mogą to być: cieczowe tłumiki drgań, tłumiki masowe – jak w budynku Taipei 101, sprężyste cylindryczne poduszki, posadowienie na wahadłach, aktywne mechanizmy typu x- lub x-y wspomagane komputerem i siłownikami hydraulicznymi lub serwomechanizmami itp.
Przykładem konstrukcji budynku wysokiego są także wieże w Kuala Lumpur (fot. 23), wykonane ze stali.
{mospagebreak}
Budynki lub inne obiekty z ekstremalnie dużymi swobodnymi powierzchniami lub kubaturą użytkową
Do tej kategorii budynków należą hale sportowe, stadiony, sklepy wielkopowierzchniowe, teatry, zbiorniki itp. Stosowane są tam jako przekrycia konstrukcje wielkich rozpiętości, jak opisano to już wcześniej. Mogą to być: przestrzenne konstrukcje prętowe, cięgnowe, membranowe, różne systemy typu prętowo-cięgnowego (ang. tensegrity) i inne hybrydowe.
Mosty dużych rozpiętości
Fot. 24. Most Akashi-Kaikyo w Japonii, łączy Kobe z wyspą Awaji; most oddano do użytku w 1998 r.
Fot. 26. Przykład mostu łukowego
Fot. 25. Most stalowy przez Bosfor w Istambule
Fot. 27. Przykład wiszącej kładki dla pieszych, Szwajcaria
Przede wszystkim właśnie w technologii mostowej obserwuje się poszukiwanie nowych rozwiązań. Niektóre z nich, zdominowane przez propozycje architektów, są niezbyt uzasadnione z punktu widzenia mechaniki i czasem stwarzają problemy eksploatacyjne. Większość tych rozwiązań zadziwia jednak pomysłowością, umiejętnym zaproponowaniem schematów konstrukcyjnych i nowoczesnych materiałów (fot. 24–32 i rys. 3).
Fot. 28a. Ogólny widok wiaduktu Millau na autostradzie A75 łączącej Clermont-Ferrad z Béziers w południowej Francji; podpory – cienkościenne, żelbetowe; podwieszony pomost i pylony – cienkościenne stalowe
Fot. 28b. Typowy segment boczny cienkościennego stalowego pomostu wiaduktu Millau
Fot. 29. Pylon, system lin i przyczółek podwieszonego mostu Syreny w Warszawie
Fot. 30a. Most Siekierkowski w Warszawie podczas budowy, strona śródmiejska
Fot. 30b. Podpory żelbetowe i cienkościenne dźwigary stalowe mostu Siekierkowskiego
Fot. 31. Mosty łukowe w mieście Toyota w Japonii
Fot. 32. Gillman Bridge – przykład mostu o zaawansowanej technologii
Obecnie mostem o największej rozpiętości przęsła jest nadal most wiszący Akashi-Kaikyo w Japonii, jego przęsło ma rozpiętość 1990 m. Nadal w fazie projektowania jest most wiszący przez Cieśninę Messyńską z planowanym przęsłem o długości 3300 m.
Pomosty mostów dużych rozpiętości są głównie o przekrojach cienkościennych. Są one wykonywane ze stali lub z żelbetu. Często główne przęsło lub kilka przęseł środkowych są ze stali, natomiast przęsła o mniejszej rozpiętości przy przyczółkach wykonuje się z żelbetu.
Obserwuje się powrót do mostów drewnianych, klejonych o mniejszej rozpiętości (USA, Kanada) i kompozytowych (np. podwieszony most Gillman – o rozpiętości 95,3 m, USA, projektowany przez F. Seible; fot. 32).
Rys. 3a. Schemat projektowanego mostu wiszącego z Kalabrii na Sycylię, Włochy – rozpiętość głównego przęsła stalowego 3300 m
Rys. 3b. Przekroje poprzeczne AA i BB przęsła stalowego oraz przekroje podłużne CC i DD
{mospagebreak}
Wieże i maszty
Fot. 33. Żelbetowa wieża telewizyjna w Toronto (553 m) ze stalową iglicą na szczycie
Fot. 34. Przykład masztu radiowego z odciągami stalowymi
Fot. 35. Genome Tower, projekt M. Kawaguchi & Engineers, Japonia
Obserwujemy dużą różnorodność wież przeznaczonych dla celów telewizyjnych lub radiowych, dla elektrycznych linii przesyłowych, wież ciśnień, wież obserwacyjnych, widokowych itp.
Żelbetowe wieże z reguły są swobodnie stojące z restauracjami, punktami widokowymi lub z biurami
w części górnej. Dobrym przykładem jest wieża telewizyjna w Toronto w Kanadzie, która razem z anteną na szczycie ma 553 m wysokości (fot. 33).
Maszty stalowe, podtrzymywane przez odciągi, są używane jako anteny (fot. 34). Sam maszt jest najczęściej typu kratowego, trój- lub czterogałęziowy i swobodnie podparty u dołu. Przykładem był najwyższy jak dotąd maszt radiowy w Gąbinie, w Polsce o wysokości 644,28 m (maszt uległ awarii w 1991 r.).
Rys. 4. Maszt radiowy w Gąbinie, Polska – najwyższy na świecie
Ostatnio coraz częściej są projektowane wieże typu prętowo-cięgnowego, np. wieża projektowana przez J. Schlaicha 1993 [7, 8]. Zastosowano tam sztywną ściskaną kolumnę i u jej wierzchołka pierścień. Pozostałe cięgna i pierścienie są rozciągane.
Innym przykładem jest transmisyjna wieża telewizyjna zaprojektowana przez prezydenta IASS, M. Kawaguchiego (fot. 35)
Zbiorniki
Rys. 5. Dwa przykłady zbiorników stalowych, Rosja
Duże zbiorniki lub rezerwuary z ekstremalnie dużymi powierzchniami lub objętościami użytkowymi są stosowane głównie na wodę, gaz i na paliwa. Do ich wykonania stosuje się różne systemy konstrukcyjne i materiały.
Warto zwrócić uwagę na:
Zbiorniki żelbetowe projektowane przez E. Torroja.
Cylindryczne i inne zbiorniki stalowe. Często spawane z rozwijanych dużych blach stalowych (patrz Popovsky, LSCE 2002 [24], rys. 5).
Stalowe zbiorniki kuliste.
Żelbetowe zbiorniki dla wież ciśnień na wodę.
{mospagebreak}
Uwagi końcowe
Fot. 36. Konstrukcja szklanego dachu w Bibliotece Uniwersytetu Warszawskiego
W artykule pokazano i skomentowano jedynie małą część typowych konstrukcji, systemów i metod projektowania. Nie poruszono szerzej sposobów montażu, rodzajów pokrycia, kontroli zachowań dynamicznych obiektów, awarii i ich przyczyn. Wszystkie omawiane przykłady zostały jedynie zasygnalizowane.
Fot. 37. Drewniane łuki nad pływalnią Warszawianki – podczas budowy
Fot. 38. Pofalowany szklany dach „Złotych Tarasów” w Warszawie, podparty konstrukcją stalową wielopunktową (budowa)
prof. dr hab. inż. Jan B. Obrębski
profesor zwyczajny Politechniki Warszawskiej
Instytut Mechaniki Konstrukcji Inżynierskich,
Wydział Inżynierii Lądowej
członek Komitetu Wykonawczego IASS 1996–2002, od 2002 r. członek Komitetu Doradczego IASS
Literatura
[1] J. Abel (edytor), International Journal of IASS.
[2] T. Barucki, Stephane du Chateau.
Kanon. Warszawa 1995.
[3] J. Bródka (edytor), Przekrycia strukturalne. Arkady, Warszawa 1985.
[4] O. Büttner, H. Stenker: Metalleichtbauten. Band 1 – Ebene Raumstabwerke. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1970.
[5] Y.-L.M. Chew, Construction technology for tall buildings. (2. wydanie).
Singapore University Press World Scientific, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong 2001.
[6] J.F. Gabriel (edytor), Beyond the cube. The architecture of space frames & polihedra. John Wiley & Sons, Inc., New York/ Chichester/ Weinheim/ Brisbane/ Singapore/ Toronto 1997.
[7] Ch. Hackelberger, Türme sind träume. A. Vedition GmbH, Ludwigsburg 2001.
[8] A. Holgate, The art of structural engineering. The work of Jörg Schlaich and his team. Edition Axel Menges. Stuttgart, Londyn 1997.
[9] L. Holloway (edytor), Design and specification of GRP cladding. Whitstable Litho Ltd, Whitstable, Kent 1978.
[10] R. Hough, R. Melchers, Lightweight structures in architecture engineering and construction (LSA99). LSAA, Sydney, Australia 1998.
[11] Kazuo Ishii, Membrane structures in Japan (1967–1990). Shinkenchiku-Sha, Company. Tokyo, Japonia1990.
[12] Kazuo Ishii, Membrane structures in Japan. (1968-) SPS Publishing Company. Tokyo, Japonia 1995.
[13] Kazuo Ishii, Membrane design and structures in the world. Shinkenchiku-sha Co., Ltd. Tokyo, Japonia 1999.
[14] Kazuo Ishii (edytor), Structural design of retractable roof structures. IASS. WIT Press 2000, Southampton, Boston.
[15] Yoshito Isono, Looking for space structures in United Kingdom (głównie po japońsku), Tokyo, Japonia 2000.
[16] Yoshito Isono, Looking for space structures in France (głównie po japońsku), Tokyo, Japonia 2001.
[17] Yoshito Isono, Looking for space structures in Belgium and Holland (głównie po japońsku), Tokyo, Japonia 2002.
[18] Z.S. Makowski (organizator i edytor), Space structures. (Konf. międzyn.), Blackwell Scientific Publications Oxford and Edinburgh 1967.
[19] Z.S. Makowski, Räumliche Tragwerke aus Stahl. mbH, Düsseldorf 1963.
[20] Z.S. Makowski, H. Nooshin (edytorzy) – Int. Journal of Space Structures.
[21] R. Motro, J. Chilton (edytorzy od 2005) – Int. Journal of Space Structures.
[22] H. Nooshin (edited by): Third international conference on space structures. Elsevier Applied Sc. Publ. London & New York, Surrey Guildford 1984.
[23] H. Nooshin (edited by), Studies in space structures. (In Honour of Z.S. Makowski). Multi – Science Publishing Co. LTD, UK, 1991.
[24] J.B. Obrębski (edytor), Lightweight structures in civil engineering. Księgi z międzynarodowych konferencji 1995–2006.
[25] G.A.R. Parke & C.M. Howard (edited by) Space structures. (Fourth Intern. Conf.). Surrey, Guildford, UK. 1993.
[26] G.A.R. Parke & P. Disney (edited by) Space structures. (Fifth International Conference). Thomas Telford. Surrey, Guildford, UK. 2002.
[27] Masao Saitoh: Story of space structure, Structural Design’s future, Japan, 2003.
[28] V. Sedlak, Lightweight Structures in Architecture. Unisearch Limited, The University of New South Wales, Australia, Sydney 1986.
[29] B.S. Smith, A. Coul, Tall building structures: Analysis and design. John Wiley & Sons, Inc. New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore 1991.
[30] W.J. Supple (edytor): 2nd International conference on space structures. Guildford, England 1975.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
czerwiec 2007 r.
