Геодезические купола: конструкции и технологии строительства.

Введение

Сферическая оболочка, основанная на геодезическом полиэдре.

Геодезический купол — это полусферическая тонкостенная конструкция (решетчатая оболочка), основанная на геодезическом полиэдре. Жесткие треугольные элементы купола распределяют напряжение по всей структуре, позволяя геодезическим куполам выдерживать очень большие нагрузки при своих размерах.

Способы изготовления

Деревянные купола имеют отверстие, просверленное по ширине стойки. Нержавеющая стальная лента фиксирует отверстие стойки на стальной трубе. С помощью этого метода стойки можно обрезать до необходимой длины. Затем к стойкам прибиваются треугольники из экстерьерной фанеры. Купол оборачивается снизу вверх несколькими слоями рубероида для отвода воды и завершается черепицей. Этот тип купола часто называют куполом на узлах и стойках из-за использования стальных узлов для соединения стоек. Панельные купола строятся из отдельно собранных деревянных элементов, обшитых фанерой. Три элемента, составляющие треугольную раму, часто обрезаются под сложными углами для обеспечения плотного прилегания треугольников. В элементах просверливаются отверстия в точных местах, а стальные болты соединяют треугольники, образуя купол. Эти элементы часто имеют размеры 50x100 мм или 50x150 мм, что позволяет разместить больше утеплителя внутри треугольника. Панельная техника позволяет строителю крепить фанерную обшивку к треугольникам, безопасно работая на земле или в комфортном помещении, защищенном от непогоды. Этот метод не требует дорогих стальных узлов. Стальной каркас можно легко изготовить из электротехнических труб. Конец стойки уплощается, и в нем просверливаются отверстия для болтов нужной длины. Один болт фиксирует вершину стоек. Гайки обычно фиксируются съемным фиксатором резьбы, или, если купол переносной, имеют контргайку с разрезным штифтом. Это стандартный способ строительства куполов для игровых комплексов. Купола также могут быть построены с легким алюминиевым каркасом, который можно соединять болтами, сваркой или более гибким узловым соединением. Эти купола обычно облицовываются стеклом, которое удерживается на месте ПВХ-козырьком, который можно герметизировать силиконом для обеспечения водонепроницаемости. Некоторые конструкции допускают установку двойного остекления или изолированных панелей в каркас. Купола из бетона и пенопластика обычно начинаются со стального каркасного купола, обернутого сеткой-рабицей и проволочным экраном для армирования. Сетка-рабица и экран привязываются к каркасу проволокой. Затем на каркас наносится слой материала. Для достижения правильной консистенции бетона или пластика следует проводить испытания с небольшими образцами. Обычно требуется несколько слоев внутри и снаружи. Последний шаг – насытить бетонные или полиэстерные купола тонким слоем эпоксидного состава для отвода воды. Некоторые бетонные купола построены из сборных, предварительно напряженных, сталеармированных бетонных панелей, которые можно крепить на месте болтами. Болты расположены в углубленных гнездах, закрытых небольшими бетонными колпачками для отвода воды. Треугольники перекрываются для отвода воды. В этом методе треугольники могут быть отлиты в формы с деревянными шаблонами, отпечатанными в песке, но бетонные треугольники обычно настолько тяжелые, что их необходимо устанавливать с помощью крана. Эта конструкция хорошо подходит для куполов, поскольку нигде не допускается скопление воды на бетоне и ее протекание. Металлические крепежные элементы, соединения и внутренние стальные каркасы остаются сухими, предотвращая повреждения от мороза и коррозии. Бетон устойчив к солнечному свету и атмосферным воздействиям. Над соединениями необходимо установить внутреннюю гидроизоляцию или герметик для предотвращения сквозняков. Купол Cinerama 1963 года был построен из сборных бетонных шестиугольников и пятиугольников. Купола теперь можно печатать с высокой скоростью с помощью очень больших мобильных "3D-принтеров", также известных как машины аддитивного производства. Материал, используемый в качестве нити, часто представляет собой форму бетона с впрыском воздуха или пенопласт с закрытыми ячейками. Учитывая сложную геометрию геодезического купола, строители куполов полагаются на таблицы длин стоек или "коэффициенты хорд". В своей книге "Геодезическая математика и как ее использовать" Хью Кеннер писал: "Таблицы коэффициентов хорд, содержащие, как они делают, важную информацию о проектировании сферических систем, на протяжении многих лет охранялись как военные секреты. Еще в 1966 году около 3ν икосаэдра из журнала Popular Science Monthly были всем, что было у кого-либо за пределами круга лицензиатов Фуллера". (страница 57, издание 1976 года). Другие таблицы стали доступны после публикации книги Ллойда Кахана "Domebook 1" (1970) и "Domebook 2" (1971).

Wooden domes have a hole drilled in the width of a strut. A stainless steel band locks the strut's hole to a steel pipe. With this method, the struts may be cut to the exact length needed. Triangles of exterior plywood are then nailed to the struts. The dome is wrapped from the bottom to the top with several stapled layers of tar paper, to shed water, and finished with shingles. This type of dome is often called a hub and strut dome because of the use of steel hubs to tie the struts together. Paneled domes are constructed of separately framed timbers covered in plywood. The three members comprising the triangular frame are often cut at compound angles to provide for a flat fitting of the various triangles. Holes are drilled through the members at precise locations and steel bolts then connect the triangles to form the dome. These members are often 2x4s or 2x6s, which allow for more insulation to fit within the triangle. The panelized technique allows the builder to attach the plywood skin to the triangles while safely working on the ground or in a comfortable shop out of the weather. This method does not require expensive steel hubs. Steel framework can be easily constructed of electrical conduit. One flattens the end of a strut and drills bolt holes at the needed length. A single bolt secures a vertex of struts. The nuts are usually set with removable locking compound, or if the dome is portable, have a castellated nut with a cotter pin. This is the standard way to construct domes for jungle gyms. Domes can also be constructed with a lightweight aluminium framework which can either be bolted or welded together or can be connected with a more flexible nodal point/hub connection. These domes are usually clad with glass which is held in place with a PVC coping, which can be sealed with silicone to make it watertight. Some designs allow for double glazing or for insulated panels to be fixed in the framework. Concrete and foam plastic domes generally start with a steel framework dome, wrapped with chicken wire and wire screen for reinforcement. The chicken wire and screen are tied to the framework with wire ties. A coat of material is then sprayed or molded onto the frame. Tests should be performed with small squares to achieve the correct consistency of concrete or plastic. Generally, several coats are necessary on the inside and outside. The last step is to saturate concrete or polyester domes with a thin layer of epoxy compound to shed water. Some concrete domes have been constructed from prefabricated, prestressed, steel reinforced concrete panels that can be bolted into place. The bolts are within raised receptacles covered with little concrete caps to shed water. The triangles overlap to shed water. The triangles in this method can be molded in forms patterned in sand with wooden patterns, but the concrete triangles are usually so heavy that they must be placed with a crane. This construction is well suited to domes because no place allows water to pool on the concrete and leak through. The metal fasteners, joints, and internal steel frames remain dry, preventing frost and corrosion damage. The concrete resists sun and weathering. Some form of internal flashing or caulking must be placed over the joints to prevent drafts. The 1963 Cinerama Dome was built from precast concrete hexagons and pentagons. Domes can now be printed at high speeds using very large, mobile "3D Printers", also known as additive manufacturing machines. The material used as the filament is often a form of air injected concrete or closed cell plastic foam. Given the complicated geometry of the geodesic dome, dome builders rely on tables of strut lengths, or "chord factors". In Geodesic Math and How to Use It, Hugh Kenner wrote, "Tables of chord factors, containing as they do the essential design information for spherical systems, were for many years guarded like military secrets. As late as 1966, some 3ν icosa figures from Popular Science Monthly were all anyone outside the circle of Fuller licensees had to go on." (page 57, 1976 edition). Other tables became available with publication of Lloyd Kahn's Domebook 1 (1970) and Domebook 2 (1971).

Дома с куполом

Фуллер надеялся, что геодезический купол поможет решить послевоенный жилищный кризис. Это соответствовало его прежним надеждам, связанным с обеими версиями дома Dymaxion. Жилые геодезические купола оказались менее успешными, чем те, что использовались для работы и/или развлечений, во многом из-за их сложности и, как следствие, более высоких затрат на строительство. Профессиональные опытные подрядчики по возведению куполов, хотя и труднодоступны, существуют и способны минимизировать перерасход средств, связанный с неудачными попытками и неточными сметами. Сам Фуллер жил в геодезическом куполе в Карбондейле, штат Иллинойс, на углу проспекта Форест-авеню и улицы Черри-Сент. Фуллер представлял жилые купола как продукты, доставляемые по воздуху и производимые промышленностью, подобной аэрокосмической. Дом Фуллера в виде купола до сих пор существует – Дом Р. Бакминстера Фуллера и Энн Хьюлетт, и организация RBF Dome NFP пытается восстановить купол и добиться его включения в список Национальных исторических памятников. Он уже внесен в Национальный реестр исторических мест. В 1986 году компания American Ingenuity из Роклэджа, штат Флорида, получила патент на технологию строительства куполов, включающую полистирольные треугольники, ламинированные с внешней стороны армированным бетоном, и внутреннюю обшивку из гипсокартона. Эта технология позволяет изготавливать купола в виде комплектов и собирать их домовладельцем. При этом швы становятся самой прочной частью конструкции, в то время как швы и особенно узлы в большинстве куполов с деревянным каркасом являются самыми слабыми местами. Кроме того, конструкция обеспечивает водонепроницаемость. Другие примеры были построены в Европе. В 2012 году алюминиевый и стеклянный купол использовался в качестве покрытия для экодома в Норвегии, а в 2013 году в Австрии был построен купольный дом с отделкой из стекла и дерева. В Чили геодезические купола активно используются для размещения в отелях, как в виде куполов, напоминающих палатки, так и с покрытием из стекла. Примеры: EcoCamp Patagonia, Чили; и Elqui Domos, Чили.

Связанные модели

Строительство очень прочных и устойчивых конструкций из узоров, образованных укрепляющими треугольниками, наиболее часто встречается в дизайне палаток. Этот принцип применяется в абстрактном виде и в других областях промышленного дизайна, а также в науке управления и структурах принятия решений как концептуальная метафора, особенно в работах Стаффорда Бира, чей метод "трансмиграции" настолько конкретно основан на дизайне куполов, что на каждом этапе обсуждения может участвовать только заранее определенное количество людей.