نظرة عن قرب على هندسة الشد

هندسة الشد هي نظام هيكلي يستخدم في الغالب التوتر بدلاً من الضغط. الشد و التوتر غالبا ما تستخدم بالتبادل. تشمل الأسماء الأخرى بنية غشاء التوتر ، هندسة النسيج ، هياكل التوتر ، هياكل التوتر خفيفة الوزن. دعونا نستكشف هذه التقنية الحديثة ولكن القديمة للبناء.

التوتر و ضغط قوتان تسمعان الكثير عنهما عندما تدرس الهندسة المعمارية. تكون معظم الهياكل التي نبنيها مضغوطة - من الطوب على الطوب ، من على متن الطائرة ، وتدفع وتضغط لأسفل على الأرض ، حيث يتم موازنة وزن المبنى مع الأرض الصلبة. من ناحية أخرى ، يُعتقد أن التوتر هو عكس الضغط. يسحب التوتر ويمتد مواد البناء.

" هيكل يتميز بشد النسيج أو نظام المواد المرنة (عادة مع الأسلاك أو الكابلات) لتوفير الدعم الهيكلي الحاسم للهيكل."— جمعية الهياكل النسيجية (هيئة الرقابة المالية)

عند التفكير في أولى الهياكل التي صنعها الإنسان (خارج الكهف) ، نفكر في هياكل لوجييه كوخ بدائي (الهياكل بشكل رئيسي في الضغط) ، وحتى في وقت سابق ، الهياكل الشبيهة بالخيمة - النسيج (على سبيل المثال ، جلد الحيوان) مشدودًا (شد) محكمًا حول خشب أو إطار عظمي. كان تصميم الشد جيدًا للخيام البدوية وتيبس الصغيرة ، ولكن ليس للخيام

طوال حياته ، درس المهندس المعماري الألماني والحائز على جائزة بريتزكر فراي أوتو إمكانيات الهندسة المعمارية خفيفة الوزن والشد - بشق الأنفس حساب ارتفاع الأعمدة ، وتعليق الكابلات ، وشبكات الكابلات ، والمواد الغشائية التي يمكن استخدامها لإنشاء مثل خيمة واسعة النطاق الهياكل. كان تصميمه للجناح الألماني في إكسبو 67 في مونتريال بكندا أسهل في البناء إذا كان لديه نذل - وغد البرمجيات. ولكن ، كان جناح عام 1967 هذا هو الذي مهد الطريق أمام المهندسين المعماريين الآخرين للنظر في إمكانيات بناء التوتر.

النماذج الأكثر شيوعًا لخلق التوتر هي نموذج البالون ونموذج الخيمة. في نموذج البالون ، يخلق الهواء الداخلي ضغطًا هوائيًا على التوتر على جدران الغشاء والسقف عن طريق دفع الهواء إلى المادة القابلة للتمدد ، مثل البالون. في نموذج الخيمة ، تسحب الكابلات الملحقة بعمود ثابت جدران الغشاء وسقفها ، تمامًا مثل أعمال المظلة.

تشمل العناصر النموذجية لنموذج الخيمة الأكثر شيوعًا (1) "عمود" الصاري أو القطب الثابت أو مجموعات من الأعمدة للدعم ؛ (2) كابلات التعليق ، الفكرة التي جلبتها إلى أمريكا المولودة في ألمانيا جون رويبلينج ؛ و (3) "غشاء" على شكل نسيج (على سبيل المثال ، ETFE) أو شبكة الكابل.

تشمل الاستخدامات الأكثر شيوعًا لهذا النوع من الهندسة المعمارية التسقيف والأجنحة الخارجية والساحات الرياضية ومحاور النقل والمساكن شبه الدائمة بعد الكوارث.

^{المصدر: جمعية الهياكل النسيجية (FSA) على www.fabricstructuresass Association.org/what-are-lightweight-structures/tensile}

يعد مطار دنفر الدولي مثالاً جيدًا على هندسة الشد. يمكن أن يتحمل سقف الغشاء الممتد لمحطة 1994 درجات الحرارة من ناقص 100 درجة فهرنهايت (تحت الصفر) إلى 450 درجة فهرنهايت. تعكس مادة الألياف الزجاجية حرارة الشمس ، ولكنها تسمح للضوء الطبيعي بالتصفية في المساحات الداخلية. تتمثل فكرة التصميم في عكس بيئة قمم الجبال ، حيث يقع المطار بالقرب من جبال روكي في دنفر بولاية كولورادو.

مهندس معماري: ج. ث. Fentress J. H. برادبيرن أسوشيتس ، دنفر ، كولورادو
منجز: 1994
مقاول متخصص: Birdair، Inc.
فكرة التصميم: على غرار هيكل فراي أوتو الذروة الواقع بالقرب من جبال الألب في ميونيخ ، اختار Fentress نظام تسقيف غشاء شد يحاكي قمم جبال روكي ماونتن في كولورادو
بحجم: 1200 × 240 قدم
عدد الأعمدة الداخلية: 34
كمية الكابلات الفولاذية 10 ميل
نوع الغشاء: PTFE الألياف الزجاجية، تفلون^®مغلفة بألياف زجاجية منسوجة
كمية القماش: 375000 قدم مربع لسقف محطة جيبسين ؛ 75000 قدم مربع حماية إضافية من الرصيف

^{مصدر: مطار دنفر الدولي و PTFE الألياف الزجاجية في Birdair، Inc. [تم الوصول إليه في 15 مارس 2015]}

مستوحاة من جبال الألب الألمانية ، هذا الهيكل في ميونيخ ، ألمانيا قد يذكرك بمطار دنفر 1994 الدولي. ومع ذلك ، تم بناء مبنى ميونيخ قبل عشرين عامًا.

في عام 1967 ، فاز المهندس المعماري الألماني Günther Behnisch (1922-2010) في مسابقة لتحويل مكب قمامة ميونيخ إلى مشهد دولي لاستضافة دورة الألعاب الأولمبية الصيفية XX في عام 1972. أنشأت شركة Behnisch & Partner نماذج في الرمال لوصف القمم الطبيعية التي يريدونها للقرية الأولمبية. ثم قاموا بتجنيد المهندس المعماري الألماني Frei Otto للمساعدة في معرفة تفاصيل التصميم.

بدون استخدام نذل - وغد البرمجيات ، صمم المهندسون المعماريون والمهندسون هذه القمم في ميونيخ لعرض ليس فقط الرياضيين الأولمبيين ، ولكن أيضًا البراعة الألمانية وجبال الألب الألمانية.

هل سرق مهندس مطار دنفر الدولي تصميم ميونيخ؟ ربما ، لكن شركة جنوب أفريقيا هياكل التوتر يشير إلى أن جميع تصميمات التوتر مشتقة من ثلاثة أشكال أساسية:

• "مخروطي - شكل مخروطي يتميز بقمة مركزية "
• "الخزنة الاسطوانية - شكل مقوس ، يتميز عادة بتصميم قوس منحني "
• "هايبر - شكل حر ملتوي"

^{مصادر: مسابقات، Behnisch & Partner 1952-2005؛ معلومات تقنية، هياكل التوتر [تم الوصول في 15 مارس 2015]}

Günther Behnisch تعاونت فراي أوتو لإحاطة معظم القرية الأولمبية لعام 1972 في ميونيخ بألمانيا ، وهي واحدة من أولى مشاريع بناء التوتر على نطاق واسع. كان الاستاد الأولمبي في ميونيخ بألمانيا مجرد أحد الأماكن التي تستخدم فن الشد.

من المفترض أن يكون هيكل ميونيخ أكبر وأكبر من جناح نسيج معرض Otto '67 ، وكان غشاءًا معقدًا لشبكة الكابل. اختار المهندسون المعماريون ألواح أكريليك بسماكة 4 مم لإكمال الغشاء. لا يمتد الأكريليك الصلب مثل القماش ، لذلك كانت الألواح "متصلة بمرونة" بشبكة الكابلات. وكانت النتيجة خفة ونعومة منحوتة في جميع أنحاء القرية الأولمبية.

عمر هيكل غشاء الشد متغير ، اعتمادًا على نوع الغشاء المختار. وقد زادت تقنيات التصنيع المتقدمة اليوم من عمر هذه الهياكل من أقل من عام واحد إلى عقود عديدة. كانت الهياكل المبكرة ، مثل الحديقة الأولمبية لعام 1972 في ميونيخ ، تجريبية حقًا وتتطلب صيانة. في عام 2009 ، الشركة الألمانية هايتكس تم تجنيده لتثبيت سقف غشاء معلق جديد فوق القاعة الأولمبية.

^{المصدر: الألعاب الأولمبية 1972 (ميونيخ): الملعب الأولمبي ، TensiNet.com [تم الوصول إليه في 15 مارس 2015]}

مهندس اليوم لديه مجموعة من خيارات غشاء النسيج للاختيار من بينها - العديد من "الأقمشة المعجزة" أكثر من المهندسين المعماريين الذين صمموا أسقف القرية الأولمبية عام 1972.

في عام 1980 ، شرح المؤلف ماريو سلفادوري العمارة الشد بهذه الطريقة:

"بمجرد تعليق شبكة الكابلات من نقاط الدعم المناسبة ، يمكن تعليق الأقمشة المعجزة منها وتمتد عبر المسافة الصغيرة نسبيًا بين كبلات الشبكة. قام المهندس المعماري الألماني Frei Otto بدور رائد في هذا النوع من الأسقف ، حيث تتدلى شبكة من الكابلات الرقيقة من الكابلات الحدودية الثقيلة المدعومة بأعمدة فولاذية أو ألمنيوم طويلة. بعد إقامة الخيمة لجناح ألمانيا الغربية في إكسبو 67 في مونتريال ، نجح في تغطية مواقف استاد ميونيخ الأولمبي... في عام 1972 مع خيمة تحمي ثمانية عشر فدانًا ، مدعومة بتسعة صواري انضغاطية يصل ارتفاعها إلى 260 قدمًا وكابلات مسبقة الإجهاد تصل سعتها إلى 5000 طن. (بالمناسبة ، العنكبوت ليس من السهل تقليده - هذا السقف يتطلب 40،000 ساعة من الحسابات والرسومات الهندسية.) "

^{مصدر: لماذا تقف المباني بقلم ماريو سلفادوري ، McGraw-Hill Paperback Edition ، 1982 ، ص. 263-264}

غالبًا ما يطلق عليه أول هيكل شد خفيف الوزن على نطاق واسع ، جناح ألمانيا إكسبو عام 1967 - مسبقة الصنع في ألمانيا وشحنها إلى كندا للتجميع في الموقع - تغطي فقط 8000 متر مربع أمتار. أصبحت هذه التجربة في هندسة الشد ، التي استغرقت 14 شهرًا فقط للتخطيط والبناء ، نموذجًا أوليًا ، وأثارت شهية المهندسين المعماريين الألمان ، بما في ذلك مصممها ، المستقبل بريتزكر لوريت فري أوتو.

في نفس العام من عام 1967 ، فاز المهندس المعماري الألماني Günther Behnisch بلجنة أماكن الألعاب الأولمبية في ميونيخ عام 1972. استغرقت بنية سقفه الشد خمس سنوات للتخطيط والبناء وتغطي مساحة 74،800 متر مربع - وهي بعيدة كل البعد عن سابقتها في مونتريال ، كندا.

• الهياكل الخفيفة - هياكل الضوء: فن وهندسة العمارة الشدية التي رسمها عمل هورست بيرغر بقلم هورست بيرغر ، 2005
• الهياكل السطحية الشد: دليل عملي لبناء الكابلات والأغشية بقلم مايكل سيديل ، 2009
• هياكل غشاء الشد: ASCE / SEI 55-10، Asce Standard من قبل الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين ، 2010

^{المصادر: الألعاب الأولمبية 1972 (ميونيخ): الملعب الأولمبي وإكسبو 1967 (مونتريال): الجناح الألماني ، قاعدة بيانات مشروع TensiNet.com [تم الوصول إليه في 15 مارس 2015]}