Введение

Структура, элементы которой работают только на растяжение.

В строительной механике, натяжная конструкция – это сооружение, состоящее из элементов, воспринимающих только растяжение и не подвергающихся сжатию или изгибу. Термин «натяжная» не следует путать с «тенсегрити», представляющим собой конструктивную форму, включающую элементы как растяжения, так и сжатия. Натяжные конструкции являются наиболее распространенным типом тонкостенных оболочек. Большинство натяжных конструкций опираются на элементы, работающие на сжатие или изгиб, такие как мачты (например, в The O2, ранее Millennium Dome), сжимающие кольца или балки. Натяжные мембранные конструкции чаще всего используются в качестве крыш, поскольку позволяют экономично и эстетично перекрывать большие пролеты. Натяжные мембранные конструкции также могут применяться для создания целых зданий, например, для спортивных сооружений, складов и выставочных комплексов.

История

Эта форма строительства стала более тщательно анализироваться и широко распространяться в крупных сооружениях только во второй половине двадцатого века. Натяжные конструкции давно использовались в палатках, где оттяжки и стойки обеспечивают предварительное натяжение ткани и позволяют ей выдерживать нагрузки. Российский инженер Владимир Шухов был одним из первых, кто разработал практические расчеты напряжений и деформаций натяжных конструкций, оболочек и мембран. Шухов спроектировал восемь выставочных павильонов натяжной и тонкостенной конструкции для Нижегородской выставки 1896 года, общей площадью 27 000 квадратных метров. Более поздним крупномасштабным применением мембранной натяжной конструкции стала Музыкальная чаша Сидни Майера, построенная в 1958 году. Антонио Гауди использовал эту концепцию в обратном порядке для создания конструкции, работающей исключительно на сжатие, для церкви Колония Гель. Он создал подвесную модель церкви для расчета сил сжатия и экспериментального определения геометрии колонн и сводов. Позже эту концепцию активно продвигал немецкий архитектор и инженер Фрай Отто, впервые применивший её при строительстве западногерманского павильона на выставке Expo 67 в Монреале. Отто затем использовал эту идею для крыши Олимпийского стадиона к летним Олимпийским играм 1972 года в Мюнхене. С 1960-х годов натяжные конструкции продвигали такие проектировщики и инженеры, как Ове Аруп, Buro Happold, Уолтер Бёрд из Birdair, Inc., Фрай Отто, Махмуд Бодо Раш, Ээро Сааринен, Хорст Бергер, Мэтью Новицки, Йорг Шлайх, дуэт Николаса Голдсмита и Тодда Далланда из FTL Design & Engineering Studio и Дэвид Гейгер. Постоянный технологический прогресс повысил популярность сооружений с тканевыми крышами. Небольшой вес материалов упрощает и удешевляет строительство по сравнению со стандартными конструкциями, особенно при необходимости перекрытия больших открытых пространств.

Материалы мембран

Общими материалами для конструкций из ткани с двойным изгибом являются стекловолокно с покрытием ПТФЭ и полиэстер с покрытием ПВХ. Это тканые материалы, обладающие разной прочностью в разных направлениях. Осно́вные нити (нити, которые изначально прямые – эквивалент начальных нитей на ткацком станке) способны выдерживать большую нагрузку, чем уточные нити, которые переплетаются с основными. В других конструкциях используется пленка ETFE, как в однослойном варианте, так и в виде подушек (которые можно надувать для обеспечения хороших теплоизоляционных свойств или в эстетических целях, как, например, на Allianz Arena в Мюнхене). Подушки из ETFE также могут иметь травленые узоры, позволяющие пропускать разное количество света при разной степени надува. При дневном свете полупрозрачность тканевой мембраны обеспечивает мягкое рассеянное естественное освещение, а ночью можно использовать искусственное освещение для создания внешней люминесцентной подсветки. Как правило, такие конструкции поддерживаются несущим каркасом, поскольку не могут получать прочность за счет двойной кривизны.

Структурные формы

Воздушноподдерживаемые конструкции — это разновидность натяжных конструкций, в которых тканевая оболочка поддерживается исключительно давлением воздуха. Большинство тканевых конструкций получают свою прочность благодаря своей двойной кривизне. Придание ткани двойной кривизны обеспечивает ей достаточную жесткость для восприятия нагрузок, которым она подвергается (например, ветровых и снеговых). Для формирования адекватной двойной кривизны чаще всего требуется предварительное натяжение или предварительное напряжение ткани или ее несущей системы.

Претензии

Преднапряжение – это напряжение, искусственно создаваемое в конструктивных элементах в дополнение к их собственному весу или внешним нагрузкам. Оно используется для обеспечения жесткости обычно очень гибких конструктивных элементов при любых возможных нагрузках. Примером преднапряжения в повседневной жизни может служить стеллаж, поддерживаемый тросами, идущими от пола до потолка. Тросы удерживают полки на месте благодаря своему натяжению – если бы тросы были ослаблены, система не работала бы. Преднапряжение может быть приложено к мембране путем ее растяжения от краев или путем предварительного натяжения поддерживающих ее тросов, что изменяет ее форму. Величина преднапряжения определяет форму мембранной конструкции.

Альтернативный подход к поиску формы

Альтернативный приближенный подход к решению задачи поиска формы основан на общем энергетическом балансе системы узлов сетки. Благодаря своей физической интерпретации этот подход называется методом растянутой сетки (SGM).