Konstrukcje cięgnowe w budownictwie wielkopowierzchniowym |
Obecnie budowane obiekty wielkopowierzchniowe dla celów sportowych wymagają w przeważającej większości przekryć 1000 m2 lub większych. W większości tego typu obiektów głównym materiałem konstrukcyjnym jest stal. Dla obiektów przemysłowych, kubaturowych powierzchnia użytkowa 1000 m2 nie jest niczym wyjątkowym. Jednak dla obiektów sportowych, stadionów i hal lekkoatletycznych takie powierzchnie przekryć wymagają indywidualnego podejścia i dość zaawansowanych rozwiązań projektowych. Specyfika obiektów sportowych wymaga takiego kształtowania układu konstrukcyjnego by wyeliminować wewnętrzne podpory w postaci słupów czy ścian konstrukcyjnych.
Materiały konstrukcyjne stosowane w przekryciach obiektów sportowych
 Głównym materiałem stosowanych w przykryciach obiektów sportowych jest metal. Poziome elementy dachu wykorzystuje się na ogół w tego typu konstrukcjach jako stalowe dźwigary kratowe, płaskie, stężone cięgnami (rys. 1), powierzchniowe lub przestrzenne wielowarstwowe.
Część konstrukcji stadionów w chwili obecnej projektowana jest jako tzw. „gniazda” (rys. 2). Zamiast typowych konstrukcji dachowych w postaci kratownic występują w nich skomplikowane i zakrzywione w planie układy rygli, stanowiące trzon i otok zewnętrzny stadionu. Układ „gniazdowy” stadionu pozwala na rozparcie na jego obwodzie galerii widowni nierzadko mogących pomieścić nawet ponad pięćdziesiąt tysięcy widzów, a także utrzymanie na jego dachu przekrycia dla całości trybun i gdy zachodzi taka konieczność również przekrycia dla boiska. W tego  typu konstrukcjach mamy do czynienia ze stałymi przykryciami obiektów i masywnymi przekrojami rygli głównej konstrukcji stadionu. Jako elementy podstawowe występują wtedy najczęściej kwadratowe przekroje zamknięte o szerokości boku nawet do jednego metra i grubości ścianki powyżej pięćdziesięciu milimetrów.
We wszystkich typach przekryć stadionów mamy do czynienia ze słupami głównymi rozmieszczonymi po obwodzie obiektu lub w jego narożach. Słupy te najczęściej projektuje się jako wielogałęziowe (rys. 3), kratowe konstrukcje stalowe, rzadziej jako jednogałęziowe - w tym wypadku sprężane (rys. 4) lub żelbetowe. Na słupach tych (poza układem gniazdowym obiektów) wspierana jest cała konstrukcja dachu i na nie przekazywane są wszystkie obciążenia pionowo działające na obiekt (śnieg, deszcz, wiatr, ciężary warstw poszycia). Ściany w tego typu obiektach, choć występują fragmentarycznie po obwodzie, mają znaczenie drugorzędne i najczęściej nie są brane nawet pod uwagę jako elementy tarczowe, usztywniające.
Wszystkie konstrukcje stadionów w mniejszym lub większym stopniu wymagają stężeń. Obecnie konstrukcje linowe, prętowe i prętowo-cięgnowe stały się synonimem nowoczesności, a konstrukcje przekryć z ich udziałem są dużo lżejsze, przestronniejsze i pozwalające na swobodne kształtowanie przestrzeni wewnątrz  obiektów. Duże wytrzymałości stali i coraz bardziej skomplikowane konstrukcje splotów lin pozwalają na uzyskiwanie sił rzędu nawet kilku tysięcy kiloniutonów w ich kilkucentymetrowych przekrojach. Co jest ważniejsze w konstrukcjach linowych to fakt, że specyfika splotów obecnie produkowanych lin pozwala na precyzyjne określanie wpływów od pełzania i relaksacji w trakcie eksploatacji obiektów o tego typu konstrukcji. Konstrukcje cięgnowe wykorzystywane są nie tylko dla przekryć membranowych czy powłokowych, ale stały się powszechnie używane w konstrukcjach przeszkleń ścian i  dachów (rys. 5 i 6). Obecnie na rynku europejskim zaczęto projektować kratownice cięgnowe specjalnie dla przeszkleń ścian i przekryć. Tego typu konstrukcje wykorzystują punktowe połączenia przelotowe dla utrzymania szkła, klejone do powierzchni lub wtapiane w warstwę szkła zespolonego. Potężne powierzchnie ścian potrafią w całości przenieść obciążenia od wiatru, śniegu a przy tym są na tyle sztywne, że zapewniają właściwe oparcie wierzchniej struktury szklanej ściany. W obiektach tych nie obserwuje się uszkodzeń tafli szklanych w większym stopniu niż w tradycyjnych ścianach strukturalnych i semistrukturalnych metalowo-szklanych fasad budynków. Obowiązują w nich takie same rygory dopuszczenia do użytkowania i wymogi odnośnie rozszczelnień oraz granicznych wartości infiltracji powietrza i wody opadowej, jak w konstrukcjach fasad budynków.
 Konstrukcje cięgnowe w konstrukcjach przekryć obiektów sportowych, hangarach wielkopowierzchniowych, w obiektach infrastruktury w mostownictwie i drogownictwie są stosowane częściej ze względu na walory architektoniczno-estetyczne i możliwości swobodnego kształtowania obiektów.
Dzięki zapewnieniu lekkości konstrukcji i dużych powierzchni bez dodatkowych podparć, przez układy lin o wysokiej wytrzymałości stanowią one trwałe, nieodkształcalne i bezpieczne konstrukcje. Pozwalają na stosowanie, w połączeniu ze stalą, tak wrażliwych materiałów dla przekryć jak szkło, kompozyty i konglomeraty. Dla konstrukcji membranowych cięgna zastosowano już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku w Japonii. W tamtym okresie jednak duża odkształcalność lin i wiotkość konstrukcji uniemożliwiała stosowania materiałów bardziej wrażliwych na pęknięcia, zarysowania czy rozerwania poszyć W obecnej chwili powłoki i membranowe przekrycia z racji mało ekspozycyjnego ich charakteru ustępują miejsca przykryciom szklanym - przeziernym.
Sektor gospodarki zajmujący się budowaniem obiektów sportowych (stadionów) ma w obecnej chwili najwięcej możliwości stosowania tego konstrukcji. W roku 2005 w przemysł sportowy w samej tylko Wielkiej Brytanii zainwestowano ponad 55 000 000 $. Są to dane przytoczone przez „Britsport” i obejmują jedynie największe firmy inwestujące w tą gałąź przemysłu. Podana kwota nie obejmuje środków rządowych inwestowanych w infrastrukturę, hotelarstwo, zaplecza, przemysł drogowy i kolejowy związany z rozwojem obiektów sportowych. W kwocie tej nie ma również środków inwestowanych wewnętrznie we własne obiekty przez utrzymujące je kluby sportowe.
Obiekty o konstrukcji cięgnowej stanowiącej podparcie dla powłok szklanych świadczą o potencjale i technologicznym zaawansowaniu procesów budowlanych.
dr inż. M. Cwyl
Politechnika Warszawska
Konsultacja: prof. dr hab. inż. M. Giżejowski więcej informacji: Świat Szkła 11/2007 |
