Мембранные конструкции: как они работают, и какие бывают типы?

Мембранные конструкции - это термин, обычно используемый для обозначения конструкции крыш с использованием мембраны, закрепленной на стальных тросах. Их основные характеристики - это способ, которым они работают при растяжении, их легкость изготовления, способность покрывать большие пролеты и их гибкость. Эта структурная система требует небольшого количества материала благодаря использованию тонких холстов, которые при растяжении с использованием стальных тросов создают поверхности, способные преодолевать наложенные на них силы.

Преимущественно используемые в покрытиях спортивных центров, арен, промышленных и агропромышленных сооружений, растягивающие конструкции основаны на старых системах, используемых во времена Римской империи. Однако с римского периода до середины 20-го века из-за низкого спроса, удобства использования и отсутствия производителей конструктивных элементов и соединений, способных противостоять созданным силам, они технически почти не развивались. Только после промышленной революции появились новые разработки, которые смогли вновь создать спрос на тентовые системы. Их преимущества - это низкая стоимость массового производства, способность адаптироваться к самым разнообразным сооружениям с большим пролетам, например, цирковые палатки. 

Нестабильность, вызванная в предыдущих моделях, применением переплетённых тросов и очень легкие покрытия, приводили к структурным недостаткам. Но это проблема была решена в середине прошлого века, благодаря системе стальных тросов и волоконных мембран с высокой степенью прочности вместе со слоями водонепроницаемых покрытий, обеспечивающих защиту от ультрафиолетовых лучей, грибков, огня, а также позволила создать необходимую прозрачность и отражательную способность

Такой прогресс был возможен только благодаря физико-структурным исследованиям, начатым немецким архитектором и инженером Фрей Отто, который с 1950-х годов провел первые научные исследования и первые кровельные работы с использованием натянутых стальных тросов в сочетании с мембранами

Будучи студентом, Отто побывал в офисе Фреда Северода, где увидел Рэйли-Арена в Северной Каролине и был впечатлен смелой эстетикой и умиротворяющим комфортом проекта. Вернувшись в Германию, он начал изучать мелкие физические модели, эмпирически создавая несколько поверхностей, с помощью цепей, натянутых тросов и эластичных мембран.

Будучи убежденным в полезности натяжных крыш, он разработал первый крупномасштабный проект с использованием системы, которая впоследствии позволила реализовать проекты, в том числе олимпийские стадионы, клубы, зоопарки и павильоны. В 1957 году он основал Центр строительства легких сооружений в Берлине. Семь лет спустя, в 1964 году, он создал Институт легких структур в Берлине в Штутгарте, Германия.

Фрей Отто - автор знаменитых проектов, прошедших эксперименты и техническую изысканность, таких как немецкий павильон для Экспозиции 1967 года в Монреале и Олимпийский стадион в Мюнхене в 1972 году, архитектор славившийся своей интенсивной исследовательской работой и был удостоен Королевской золотой медали RIBA в 2006 году и Притцкеровской премии 2015 года. Он по-прежнему несет ответственность за первую всеобъемлющую книгу о мембранных структурах - «Das Hangende Dach» (1958).

Существуют три основных вида систем растяжения для мембранных конструкций:

1. Структуры с натягом мембраны. Здесь мембрана удерживается тросами, что позволяет распределять растягивающие напряжения через свою собственную форму.

2. Натянутые сетки. Структуры, в которых сетка из тросов несет внутренние силы, передавая их отдельным элементам, например, листам стекла или дерева.

3. Пневматические конструкции. Здесь защитная мембрана поддерживается посредством давления воздуха.

Конструктивно система формирует путем объединения трех элементов: мембран, жестких конструкций, таких как шесты и мачты, и тросов.

Мембраны полиэфирных волокон с ПВХ-покрытием имеют большую простоту в производстве и установке на заводе; более низкая стоимость; и средняя долговечность - около 10 лет.

Покрытые на основе стекловолоконной мембраны имеет превосходную прочность - около 30 лет; и большая устойчивость к неблагоприятным факторам (солнце, дождь и ветер); однако они требуют квалифицированной рабочей силы.

В мембранных системах существуют два типа поддержки: прямая и косвенная. Прямыми опорами являются те, в которых конструкция устроена непосредственно на наземной части строительной конструкции. Косвенная поддержка – это когда корпус устроен из поднятой точки, такой как мачта.

Тросы, которые отвечают за распределение растягивающих напряжений и прочность, классифицируются одним из двух способов в соответствии с функцией, которую они выполняют: несущей и стабилизирующей. Оба типа тросов пересекаются ортогонально, обеспечивая прочность в двух направлениях и избегая деформаций. Несущие тросы - это те, которые непосредственно принимают внешние нагрузки, расположенные в самых высоких точках. Стабилизирующие тросы отвечают за усиление несущих тросов и их взаимное крепление. Можно избежать крепления стабилизирующих тросов к земле с помощью периферийного крепежного элемента.

Также тросы имеют свою номенклатуру в соответствии с их положением: трос линии ребра относится к самому верхнему тросу; в то время как тросы ендовы закреплены ниже всех других; радиальные тросы представляют собой стабилизирующие кольца. Тросы с ребристой ​​линией поддерживают гравитационные нагрузки, в то время как тросы ендовы поддерживают ветровые нагрузки.
Вот несколько примеров зданий, где использованы мембранные конструкции.
1. Палаточный дом в Австралии
Здесь мембранная крыша  служит в виде шатра и накрывает коробку дома, принимая на себя тепловые нагрузки. Свободное пространство между элементами крыши и стеной создает простой процесс вентиляции. 

2. Цент искусств в Тайване.

Художественный центр имеет открытое пространства для отдыха, перекрытое мембранной конструкцией, между четырьмя основными объемами  - театрам, выставочным залом, художественной библиотекой и образовательном центром. Широкие отверстия в крыше направляют воду во внутренний дворик, таким образом теплый воздух поднимается вверх создая хорошие условия для кондиционирования воздуха.

3. Организация Объединенных Наций в Нью-Йорке

Разработан дизайн навеса для проезжей части в виде спиральных дуг, которые имеют волнистую форму и скручиваются по длине с минимальными точками крепления. Конструкция обладает модульной системой, с использованием сборных стальных ферм, отличающихся быстрой установкой.  Высокотехнологичная текстильная мембрана выполняет две функции:обеспечивает поддержку в качестве рабочего элемента растяжения, равномерно распределяющего нагрузки и пропускает солнечный свет, чтобы естественным образом осветить пространство ниже. В структуре используются два вида ткани: стеклянная ткань с тефлоновым покрытием в качестве основной, и стеклянная ткань с силиконовым покрытием для большей прозрачности в конструкции арок. Функционально навес обеспечивает парковку для кортежей, поскольку они загружают и разгружают делегатов, требуя вентиляции для автомобилей находящихся внутри на холостом ходу. Открытые фасады и вентиляционные отверстия, которые проходят по всей длине ферм, позволяют  воздуху свободно циркулировать по всему корпусу.

4. Национальная Библиотека Имени Короля Фахда в Саудовской Аравии

Фасад имеет оболочку из ромбовидных текстильных навесов, которые могут раскрываться и закрываться. Вставленные белые мембраны, поддерживаемые трехмерной структурой из стального троса с растяжением, действуют как солнцезащитные зонты. Ночью фасад светится сменяющимися цветами и становится культурным маяком города.

При наружных температурах до 50 градусов по Цельсию мембранный фасад, который был оптимизирован к местному движению солнца с помощью сложной трехмерной рефракции света, сочетает в себе необходимую защиту от солнца с максимальным проникновением света и прозрачностью.

Этот фасад сочетается с вентиляцией и охлаждением здания посредством многослойного кондиционирования и напольного охлаждения. 

5. Крытый бассейн на крыше в Германии

Бассейн накрывает конструкция, состоящая из предварительно натянутой мембраны по трем высоким точкам и боковым креплением. Чтобы обеспечить эффективную защиту от посторонних глаз, крыша мембраны наклоняется на самую длинную ось, образуя экстремальную геометрическую форму: конструкция состоит из очень крутых и очень плоских участков, что создает особую проблему из-за зимнего снега. Кроме того, органично сформированные кольца с высокой точкой вокруг мачты идеально геометрически интегрированы в двойную изогнутую поверхность мембраны. Так как конструкция создавалась на уже существующем старом здании, то при размещении опорных точек необходимо было проявлять осторожность.

6. Бар-ресторан на Мальдивах

В отличие от других зданий на острове, благодаря интересной конструкции и высоте 23 метра, это сооружение доминирует над островом. Вместо традиционных натуральных материалов в строительстве здания использовался монолитный железобетон; из него выполнена опорная, круглая в плане, стена, вокруг которой расположена консольная спиральная лестница из сборных элементов. Вся внешняя конструкция завуалирована в светло-серую полупрозрачную мембрану. 

Рекомендуем