Остекленные натяжные тросовые конструкции

Рис. 1. Морской музей Китая, Линганг, Шанхай: общий вид (несущие конструкции и тросовый остекленный фасад от Werner Sobek Ingenieure [1])

Сложные формы поверхности зданий все чаще закладываются при проектировании и строительстве — криволинейные или даже свободные (самообразующиеся) формы остекленных поверхностей становятся, по мнению экспертов, настоящей доминирующей тенденцией в области фасадов и специальной строительной инженерии. Особенный интерес вызывают светопрозрачные и одновременно легкие натяжные тросовые конструкции, которые дают возможность современной архитектуре вытеснить привычные плоские формы остекленных поверхностей оболочек зданий и заменить их на пространственные с практически незаметными несущими конструкциями. Однако высокая степень прогиба и провисания у тросовых конструкций требует особой тщательности и новых подходов при проектировании с тщательной индивидуальной деталировкой, особенно, когда идет речь о конструкциях с высокой степенью изгиба и пространственной деформации изолирующих стеклопакетов, составляющих остекление.
Будучи перед таким вызовом, специалисты со всех офисов фирмы Werner Sobek Ingenieure, расположенных по всему миру, собрали воедино команду специалистов по разным направлениям строительной инженерии, архитектуры, дизайна, расчета и проектирования сооружений и конструкций, не забыв и о специалистах по «зеленым «технологиям.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие здания с нерегулярной формой конструкций фасадов и крыш приобрели особую популярность. Проектировщики и архитекторы-консультанты столкнулись с трудностями, присущими созданию таких криволинейных, двух- или даже трехгибых свободно образующихся форм при, как обычно, стесненном бюджете и присущей высокой цене на гнутое стекло. Применяемая технология остекления состоит в разбиении крупной пространственной формы на более мелкие плоские фрагменты (фацеты) из панелей из флоат-стекла. Более совершенная технология относительно нова — здесь применяется холодногнутое стекло. Для всех криволинейных, свободных и даже плоских форм фасадов имеется ключевая проблема — предел изгиба при ветровой или постоянной нагрузке. Поскольку заданная жесткость и ограниченное провисание для современных несущих конструкций из алюминиевых профилей или из нержавеющей стали не является особой трудностью в связи с их возможностью применить для них предварительное напряжение и заставить работать на сжатие, то в остекленных конструкциях, где в качестве несущих элементов используются тросы, следует подробно и тщательно проверить на соответствие требованиям изгибные напряжения на кромках фацет.
Вопрос расширения применения двугибых остекленных тросовых конструкций, особенности геометрии и определения ее фактической кривизны, требует оптимизации технологий формообразования и применения уникальных деталей, что было разработано и выполнено группой проектировщиков из Werner Sobek Ingenieure [1] в представленном ниже проекте.

ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДВУГИБОЙ ТРОСОВОЙ ФАСАДНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ИЗОЛИРУЮЩИМИ СТЕКЛОПАКЕТАМИ: МОРСКОЙ МУЗЕЙ КИТАЯ, ЛИНГАНГ, ШАНХАЙ

Главная трудность проектировщика при создании криволинейных поверхностей с помощью тросовых конструкций — преодолеть естественные особенности поведения преднапряженных тросов, натянутых между двумя точками опоры, причем если эти точки опоры сдвинуты или сами тросы изогнуты так, что они вместе организуют пространственную двугибую сеть.
Морской музей Китая, Линганг, Китай (см. рис. 1), спроектированный архитектурной группой Architects GMP [2], представляет собой выразительное центральное здание с характерной формой крыши в виде надутых парусов, расположенное несколько в стороне от соседних зданий. Музей расположен на материковой части моста Donghai Bridge в нижней части деловой части города Lingang New City, район Nanhui, Шанхай. Этот первый морской музей в Китае, создаваемый по решению Госсовета КНР, планировалось открыть в первой декаде июля 2009 г.
Ошеломляющий дизайн двух светлых крыш-оболочек, повернутых друг к другу со сдвигом, появился в связи с идеей воплотить морские формы и вызвать аналогии с парусами, создав таким образом неповторимый архитектурный образ Музея. Между двумя крышами в виде надутых парусов размещены стеклянные фасады со сложной двугибой поверхностью (см. рис. 2) без промежуточных опор. Опорные поверхности для остекления организованы тремя кривыми линиями по низу, наверху и вдоль у каждого «паруса».

Рис. 2. Морской музей Китая, Линганг, Шанхай:
двугибый остекленный фасад на тросовой сетчатой структуре (несущие конструкции и тросовый остекленный фасад от Werner Sobek Ingenieure [1])

Оттолкнувшись от оригинальной формы здания, предложенной архитекторами из GMP [2], специалисты из Werner Sobek Ingenieure [1] должны были разработать конструкцию фасадной системы, а затем оптимизировать геометрию путем вычислительной методики формообразования и разработать все ключевые элементы для схемотехнического проектирования и стадии разработки рабочего проекта. Рис. 3 показывает первоначальную оригинальную архитектурную форму и финальную форму с оптимизированной геометрией для использования в преднапряженной двунаправленной тросовой несущей конструкции. Двунаправленная кривизна стеклянной поверхности обусловлена всеми точками крепления стекла на оптимизированных кривых, расположенных одна за другой, и преднапряженным состоянием в каждом направлении в двунаправленной тросовой сети (см. рис. 3).

Рис. 3. Морской музей Китая, Линганг, Шанхай:
формообразование для тросового фасада с двойной кривизной, начальная геометрия (слева) и результат оптимизации при формообразовании (справа). Структурное и фасадное проектирование парусной структуры и тросового фасада специалистами из Werner Sobek Ingenieure [1]

Чтобы быть уверенным, что фацетированная поверхность будет достаточно гладкой и будет как можно приближена к реальной кривизне, размер стороны стеклянных панелей выбирался относительно небольшим (см. рис. 3). Малые размеры панелей также помогли снизить проблему относительной толщины стекла (т.е. снизить собственный вес стеклопанелей), облегчили решение проблемы изгиба на кромках и также уменьшили проблемы, связанные со значительным удлинением вертикальных и горизонтальных силиконовых уплотнителей. В следующих разделах «Техническое обоснование: прогибы и провисания в тросовых конструкциях» и «Проверка на удлинение горизонтальных и вертикальных силиконовых уплотнителей» будут даны более детальные объяснения.
Крепление стеклянных панелей реализовано безрамным способом круглыми клеммами по углам стеклянных элементов. Поскольку углы между углами стеклянных панелей весьма различаются, были разработаны эти уникальные элементы крепления, которые компенсируют все различные углы для большинства панелей путем регулировки всего одной крепежной детали: крепежная клемма оснащена четырьмя небольшими фиксирующими сегментами, выполненными путем напрессовки этих подпятников из EPDM (ethylene-propylene- diene monomer; этилен-пропилен-диен-каучук) с передней стороны, обернутой к стеклу, и шарикового самоустанавливающегося подшипника сзади (см. детальное изображение крепежных элементов на рис. 5). Постановка шарикового подшипника также позволила скомпенсировать искажения и изгибы стеклянной панели без дополнительных жестких зажимов и соответствующих им нагрузок на стекло в точках крепления.

  

Техническое обоснование: прогибы и провисания в тросовых конструкциях

В целом, тросовые конструкции достигают необходимой жесткости и устойчивости путем придания несущим тросам предварительно напряженного состояния через узлы их крепления. Поскольку эти так называемые растяжимые конструкции — как правило, необычайно легкие и обладают минимальной собственной массой конструкции, то именно у плоских тросовых фасадов имеется относительно большая способность к растяжению в перпендикулярном направлении к первоначальной плоскости лицевого участка фасада. Эти деформации не критичны для собственно тросовой конструкции, однако стекла, закрепленные на тросовую сеть, вынуждены следовать всем движениям в точках их фиксации. Рис. 6 показывает типичную изогнутую форму конструкции с остекленным тросовым фасадом под влиянием ветровой нагрузки.
Часто максимум величины общей или суммарной деформации (см. f на рис. 6) принимается во внимание в качестве главного фактора при проектировании конструкции тросовых фасадов. Но вопросы о том, какую именно величину нужно принимать в качестве предельной и из каких соображений ее следует выводить, на самом деле для тросовых фасадов, остекленных изолирующими стеклопакетами (ИСП), главенствующую роль играет фактор величины изгибных напряжений на кромках. Изгибные напряжения на кромках определяются дифференциалом деформаций по четырем точкам крепления стеклянной панели. В разделе «Изгибные напряжения на кромках изолирующего стеклопакета — вычисление действительных значений» об этом будет рассказано подробнее.

Глядя на наибольшее отклонение в центре фасадной сети (рис. 6), можно видеть, что не максимальное отклонение f фасада на центральных элементах приводит к максимальному изгибу каждой из панелей — более критичными в смысле изгибных деформаций оказываются панели в углах фасада. Здесь две стороны стеклянной панели (имеются в виду те стороны, что проходят через точки крепления P1, P2 и P4, см. рис. 7) жестко прикреплены к опорам на базовой конструкции, которая не деформируется под влиянием ветра. А вот четвертая точка крепления P3 (первоначальная геометрия) и P3 (положение при деформации от ветра) уже находится на тросовой конструкции (см. рис. 7). На рис. 8 видно также типичное удлинение тросовой конструкции и смещение точек крепления относительно линий, вдоль которых растягивались тросы. Самой критичной с точки зрения напряжений на кромках оказалась левая нижняя панель ИСП, закрепленная в узлах P1, P2, P3 и P4.

  

Изгибные напряжения на кромках ИСП — вычисление действительных значений

Исходя из вышесказанного о размещении стеклянных панелей с максимальной деформацией кромок, расценивая его как предварительные замечания, требуется провести детальные расчеты для того, чтобы окончательно определить размещение и вычислить действующие величины напряжений на кромках.

Рис. 8. Схема деформации остекленной фасадной тросовой конструкции с вертикально натянутыми тросами и зажимами на стекле (илл.: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

Рассматривая самый критичный угол стеклянной панели, показанной на рис. 6, 7, 8 под воздействием ветровой нагрузки, можно утверждать, что стеклянная панель — объект, подвергающийся двум деформациям: прямому воздействию ветровой нагрузки, приложенной к центру панели (см. рис. 9, деформация «b») и изгибу по кромкам (см. рис 9, деформация «a»), вызванной смещением одной из точек крепления перпендикулярно плоскости панели (см. рис. 10, точка P3).
В отличие от прямой ветровой нагрузки и вызванного ею смещения «b», деформация на кромках имеет куда большее влияние на величину предельного напряжения изгиба в уплотнениях планок дистанционной рамки ИСП (см. также следующий раздел «Предельные деформации для ИСП — напряжения изгиба в планках дистанционной рамки и их уплотнениях»).

Рис. 9. Угловая стеклянная панель с максимальным напряжением на кромках: суммарное воздействие прямой ветровой нагрузки и деформации из-за смещения в точке крепления (илл.: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

Величина напряжения на кромках может быть получена нормализацией виртуальной плоскости, задаваемой тремя зафиксированными точками крепления; положение четвертой точки диктуется положением точки максимального смещения перпендикулярно этой виртуальной плоскости (см. рис. 10, точка P3). Для определения величины действительного смещения «d» нужно ввести координаты отклонения точек крепления P1–P4 (координаты X, Y, Z в трехмерном пространстве), получив их из автоматической программы структурного анализа (как показано на рис. 11): начиная с вектора P1P2 и P1P4 (см. рис. 10 и рис. 11), величина нормального вектора «n» и направляющий вектор P1P3 станут основой для определения величины действительного смещения «d».

Рис. 10. Угловая стеклянная панель с максимальным напряжением на кромках: характерные точки, размеры и вектор направления для вычисления прогиба «d» (иллюстрация: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

Рис. 11. Пример вычисления абсолютной величины действительного смещения «d» с использованием входящих данных из программы для структурного анализа (вычисления: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

  

Предельные деформации для ИСП — напряжения изгиба в планках дистанционной рамки и их уплотнениях

Получив значения действительной величины изгиба на кромке самой критичной панели на фасаде, проектировщику необходимо понять, каковы пределы деформации для ИСП, их источники, и как величина максимального смещения соотносится с предельными деформациями, которые допускают производители ИСП.
На рис. 12 приведена схема вертикального сечения через ИСП, показывающая типичную форму изгиба и напряжения от изгиба вдоль планки дистанционной рамки (искажения формы преувеличены). Сдвигающие усилия на планке дистанционной рамки, возникающие от ветровой нагрузки и от смещения точки крепления из-за изгиба панели, подобны друг другу (см. также рис. 9, смещения «a» и «b»).
Подробно рассматривая планку дистанционной рамки ИСП, видим, что усилия сдвига действуют как параллельно, так и перпендикулярно планке, вызывая напряжения сдвига не только в самой планке, но больше в первичном уплотнении между стеклом и планкой (что критично), см. рис. 13.

Рис. 13. ИСП под ветровой нагрузкой: детальное изображение усилий сдвига в планке дистанционной рамки и уплотнении кромки ИСП (иллюстрация: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

Уплотнения по кромке ИСП сконструированы так, чтобы компенсировать эти усилия, однако производители налагают ограничения на предельную величину этих усилий из-за деформаций в ИСП. Эти пределы должны гарантировать, что уплотнение на кромке ИСП сможет выполнять свои функции весь длительный период эксплуатации; следует помнить, что разрушение кромочного уплотнения приведет к проникновения воздуха и влаги внутрь полости ИСП, что вызовет возникновение конденсата и нарушение теплоизоляции. В таком случае потребуется замена ИСП.
Поскольку проблема изгиба кромок и соответствующих им сдвиговых напряжений в уплотнениях ИСП — относительно новая проблема, больше характерная именно для остекленных тросовых фасадов с высокой степенью возникающих в них деформаций, точные пределы для допускаемых деформаций такого рода обычно не заданы производителями ИСП.

Однако можно пересчитать предельные деформации для кромок, исходя из предельной деформации от центральной нагрузки, приложенной к ИСП. Рис. 14 показывает типичный прогиб «d» в центре пакета под ветровой нагрузкой при изгибе по короткой стороне ИСП с размером «w».
Рассматривая нижний левый квадрант всей площадки, подвергаемой ветровой нагрузке (см. рис. 14, нижний левый участок), видим, что форма деформированного участка, ограниченного осями симметрии ИСП через точки P2 P3 и точки P3 P4 (см. рис. 14), подобна изогнутой форме пакета, рассмотренного выше, и что прогиб «d» в центре панели (рис. 14) подобен смещению «d» на рис. 10. Высота ИСП «w» вдвое выше высоты «h» деформируемого пакета на рис. 10, т.е. «2h = w».
Типичное предельное значение прогиба, обусловливаемое производителями ИСП, находится между 1/200 и 1/100 размера короткой стороны. Используя значение 1/100, соответствующего норме германского строительного кодекса TRPV [3], следует использовать уравнение «d ≤ w/100». Поскольку «w = 2h», следовательно, предельное смещение для изгиба кромки вычисляется как «d ≤ h/50». Учитывая это, проверяем весь тросовый фасад на наличие изгибных деформаций по короткой стороне панелей на трехмерной математической модели (с координатами X, Y, Z) и по уравнениям, представленным на рис. 11.

  

Проверка на удлинение горизонтальных и вертикальных силиконовых уплотнителей

Как показано на рис. 6, прогибы в тросовом фасаде приводят не только к проблемам изгиба кромок стекла в ИСП, особенно в высоких фасадах, но более всего — к проблеме удлинения горизонтальных и вертикальных уплотнителей между панелями ИСП и соответственной проверке допустимости такого удлинения.

Рис. 15. Пример автоматических расчетов для проверки максимального удлинения уплотнителей фасада по вертикали и горизонтали (вычисления: Benjamin Beer, Werner Sobek Ingenieure [1])

Рис. 15 показывает типичную упрощенную проверку тросового фасада высотой 20 м (подвижность) и допустимое удлинение уплотнителей (14%) в нем (конструкционный силикон через 2 недели после нанесения при +23°C и относительной влажности воздуха 50%).
Можно видеть, что особенно критичное удлинение наблюдается по горизонтальным соединениям в связи с меньшей длиной самой ленты уплотнителя, что приводит к необходимости последовательного нанесения большего числа рядов этого герметика. Следует помнить, что сказанное относится именно к конструкционному силикону, поскольку допустимое удлинение силикона, защищающего от погодных воздействий, примерно вдвое выше, чем у конструкционного.

СЛЕДУЮЩИЕ ПРИМЕРЫ: СВОБОДНАЯ И ПЛОСКАЯ ОСТЕКЛЕННЫЕ ТРОСОВЫЕ СТРУКТУРЫ

Представление двугибой остекленной тросовой конструкции фасада (см. рис. 1–5) включило техническое обоснование расчета допустимой деформации кромок стеклянных панелей и проверку допустимого удлинения конструкционных фасадных уплотнителей. Три другие проекта фирмы Werner Sobek Ingenieure [1] могут показать достаточно высокий потенциал тросовых конструкций для создания сложных пространственных остекленных оболочек здания.
Используя тросовый сетчатый остекленный фасад свободной формы, рис. 16, было создано здание клиники Rhön Clinic в Бад-Нойштадте (Bad Neustadt), Германия, архитектурная группа: Lamm, Weber, Donath & Partner [4]. Тросовая сеть покрывает пространство между различными зданиями, и это была первая в мире стальная тросовая сеть, остекленная силикатным стеклом. Детали крепления стекла выполнены с помощью клипс из стальных изогнутых стержней (см. рис. 17).
Примеры плоских фасадных тросовых структур показаны на рис. 18 и рис. 19. Особенность тросового фасада штаб-квартиры фирмы Bayer в Леверкузене (Leverkusen), Германия — вертикальные тросы (рис. 18), в то время как в фасадной тросовой конструкции нового международного аэропорта Suvarnabhumi в Бангкоке, Таиланд, использованы тросовые ферменные структуры, напоминающие костяк рыбы. Архитектура обоих проектов — от Murphy/Jahn [5].

Рис. 17. Детали крепления остекления тросового сетчатого фасада свободной формы: Rhön Klinikum, Бад-Нойштадт, Германия (проектирование фасада: Werner Sobek Ingenieure [1])

Рис. 18. Тросовый остекленный фасад штаб-квартиры фирмы Bayer в Леверкузене (Leverkusen), Германия (проектирование фасада: Werner Sobek Ingenieure [1])

Рис. 19. Остекленная тросовая фасадная структура: новый международный аэропорт Suvarnabhumi в Бангкоке, Таиланд (проектирование фасада: Werner Sobek Ingenieure [1])

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа основана на ряде проектов тросовых остекленных фасадов, разработанных Werner Sobek Ingenieure [1], и нацелена на объяснение некоторых особенностей, связанных с высокой подвижностью тросовых фасадных конструкций. Чем применять заранее определенные пределы деформаций, авторы рекомендуют конструкторам, разработчикам и проектировщикам фасадов теснее работать над совместным определением действительных величин прогибов с учетом всех имеющихся факторов: из-за напряжений, возникающих в стекле, в тросах, с учетом горизонтального и вертикального удлинения в уплотнителях между ИСП и в самих ИСП.
Это особенно важно ввиду усиливающейся тенденции к применению крупноформатных стеклянных панелей, ИСП с тройным остеклением, большим расстоянием между точками крепления, что приводит к особенно большим прогибам в тросовых фасадных системах, а сложная результирующая геометрия фасадов усиливает наявные проблемы еще больше.
В недалеком будущем и консультанты по фасадам, и производители стекла будут вынуждены все теснее сотрудничать над увеличением нынешней относительно низкой способности к изгибу и деформациям в ИСП.

Ссылки и упоминания

1. Werner Sobek Ingenieure, Albstrasse 14, Stuttgart, Germany
2. Gmp von Gerkan, Marg und Partner, Elbchaussee 139, Hamburg, Germany
3. TRPV, Technische Regeln für die Bemessung und die Ausführung punktförmig gelagerter
4. ,Weber, Donath & Partner, Stuttgart, Germany
5. ,Murphy/Jahn, Chicago, USA

---

Бенджамин Бир (Benjamin Beer),
исполнительный вице-президент корпорации Werner Sobek
Dubai, Дубаи, ОАЭ.
По материалам доклада на Glass Performance Days,
Тампере, Финляндия, июнь 2009 г.