Тънкостенни пространствени конструкции

Помещенията за подслон с единична или двойна кривина датират от дълбока древност, и имат различни проявления и като форми, и като материал. Един от първите материали, използван за създаване на черупка, е камъкът. Малко по-късно зидария – от тухли, камък. Развитието на тухлените сводове и куполи през Средновековието дава тласък на развитието на пространствени конструкции с по-сложна форма и големи отвори, изградени от различни материали. Много структури тип черупки са изградени с с цел осигуряване на покриви за храмове, катедрали, паметници или други сгради.

По-голяма част от съществуващите и до днес черупки са изградени от бетон и на по-късен етап – от стоманобетон.

Често срещана е практиката на използване на предварително напрегнати стоманнобетонни конструкции, какъвто е примерът със строителството на една емблематична сграда с черупково покривно покритие – Операта в Сидни. Друг пример е използването на бетон, армиран със стоманени фирбри. Такава е конструкцията на L'Oceanogrђfico.

Черупката изпълнява носеща функция и то при големи подпорни разстояния. Но освен това изпълнява ролята и на горен ограждащ елемент и влиза в състава на покрива. Подпорните разстояния, които могат да бъдат покрити с черупки са големи - 30, 60, 90 и повече метри, при малка дебелина на черупката - от 1.5 до 8 сm при стоманобетонните, а при стоманените става въпрос за няколко милиметра. Дебелината обикновено се приема еднаква, но на някои места, изпълняващи функция на диафрагми и бордови греди, може да се увеличи.

През годините конструктивните форми са претърпяли развитие и постепенно са адаптирани към преодоляването на по-големи отвори и подпорни разстояние. За пример, полусферичният купол на Новосибирския театър има основа 55,5 метра, дебелина на черупката 8см. А куполът, покриващ стадион Пуерто Рико, с диаметър 95 метра, има дебелина 15 см, или дебелините им са около 1/500 или 1/750 от диаметъра.

Периодът между 20-те и 60-те години на миналия век се счита за „златния период на тънкостенните черупки”. Това е периодът, в който в инженерно отношение значително се развиват тези конструкция и започват все по-често да се прилагат за покриване на големи пространства на производствени, търговски и обществени сгради. Едни от значимите имена от този период, дизайнери със съществен принос за популяризирането и развитието на черупковите конструкции, са Пиер Луиджи Нерви, Едуардо Торойа, Феликс Кандела.

Класификация на черупките
Има различни критерии, по които може да бъдат категоризирани черупковите конструкции. Спрямо материала, използван за носещата черупкова конструкция, най-разпространените биват от: стоманобетон, стоманени листове, шперплат и др. Всеки от тях има различни свойства и технически характеристики и в голяма степен определя формата на сградата. Има и такива конструкции, които са с по-свободна форма и не подлежат на класификация според познатите видове кривини. Може да бъдат класифицирани в зависимост и от дебелината на черупката.

В най-общия случай се класифицират съобразно формата и биват: тънкостенни черупкови конструкции, тънкостенни вълнообразни конструкции и тънкостенни надиплени конструкции. Като първите могат да бъдат групирани на единични, съставни и секториални (получават се обикновено от групиране на няколко еднакви черупки с едностранна или двустранна кривина, които взаимно се пресичат, а броят от секториалните черупки зависи от броя на страните на основата).

Тънкостенни черупкови конструкции
Основната характеристика на тези черупки е кривината им. В зависимост от кривината те биват: черупки с едностранна кривина (това са черупки с цилиндрична или конусна повърхнина); черупки с двустранна кривина (сферични куполи, висящ купол, торус, сегментен купол и др.). Черупките с двустранна кривина се прилагат както единично така и групово и секториално покриване на зали и помещения с големи подпорни разстояния, достигащи до 100 метра. Тънкостенните черупки с двустранна кривина имат криволинейно очертание поне в две от главните си направления. Имат по-голяма коравина в сравнение с цилиндричните черупки. В архитектурно отношение също предоставят възможност за разнообразни и интересни конструкции. Основните им форми се получават от въртене на криволинейна образуваща – част от кръг, елипса, парабола, хипербола, около ос или от преместване на криволинейна образуваща по друга криволинейна водеща. Първите се наричат ротационни черупки и към тях се отнасят куполът и негови производни, а вторите са транслационни – към тях се отнася торусът. И двете групи са черупки с положителна Гаусова кривина – тоест, двата центъра на повърхнините са от едната страна на черупките. Има и друга група черупки – черупка във вид на хиперболичен параболоид, при която едната кривина е положителна (с център отдолу), а другата е отрицателна (с център отгоре). Това са черупките с отрицателна Гаусова кривина.

Тънкостенни вълнообразни черупки
Представляват група от еднакви паралелни черупки с едностранна или двустранна кривина. Пример за такава конструкция е изложбената зала в Торино (инж. Пиер Луиджи Нерви), която е изпълнена от вълнообразни черупки с двустранна кривина с подпорно разстояние 95 метра и височина над 20 метра. Дължината на вълната е 2.5 метра, а височината й – 1.60 метра. Конструкцията е изпълнена от сглобяеми елементи. Всяка вълна, в средната си част, имам от двете си страни остъклени полета. А всеки три вълни се опират на наклонен контрафорс, който се разклонява ветрилообразно в горния си край. Вълнообразните черупки могат да бъдат изпълнени и от стоманени или алуминиеви листове. Ярък пример за такава конструкция е алуминиевият купол в гр. Лонгвидоу в САЩ, с диаметър 91.20 метра и с дебелина на черупката 3 милиметра. Куполът представлява вълнообразни алуминиеви листове, наредени и свързани помежду си в концентрични кръгове.

Тънкостенни надиплени конструкции
Те са видоизменение на вълнообразните черупкови конструкции с едностранна кривина, като единичните вълни се заменят с две наклонени плоскости , които се опират една спрямо друга под ъгъл в триъгълна форма, или ако са повече плоскостите – в трапецовидна. Именно тези наклонени плоскости определят носещата способност на тези конструкции. Изпълняват се предимно от стоманобетон, монолитно или сглобяемо.

Примери
Куполът на катедралата Свети Павел в Лондон, The Zeiss-Planetarium в Германия, Хиподрумът в Мадрид, Операта в Сидни и още много други подобни структури са нещо повече от архитектурни шедьоври. Те са произведения на инженерния гений, с открояване на един ключов конструктивен елемент – тънкостенната черупка.

Операта в Сидни
Световноизвестната опера в австралийския град е считана за един от шедьоврите на съвременната архитектура. Една от най-отличителните черти на операта, е нейната покривна конструкция, която наподобява платна на кораб. Именно на тази част ще се спрем по-подробно, за да илюстрираме с пример приложението на черупковите пространствени конструкции.

Изграждането на покрива е вторият етап от строителството на операта. В първоначалния идеен проект, е бил представен покрив с неопределена геометрична форма и реализацията на подобни „черупки”, които не можели да се оприличат с нито една позната геометрична форма, на практика била невъзможна.

Първоначално са се опитали да наподобят тези повърхнини чрез арки с двойна кривина, покриващи всяка от залите. По-късно е разгледан вариантът за общ купол на двете зали, който бързо е бил отхвърлен. След няколко идейни предложения се избира форма, която се вписва добре и конструктивни, и естетически – параболоид. От вътрешната страна са разположени укрепващи ребра. Между отделните черупки са предвидени стени-жалузи, чрез които се предава натоварването от една черупка на друга, като също така, придават и надлъжна стабилност на конструкцията.

Според статичните и динамичните изчисления, обаче, се оказва, че усилията в елементите надвишават очакваните. Това налага нови изчисления, при което се стига до окончателното решение центърът на тежестта на черупките да се измести по-близо до опорните им точки. Формата на стените-жалузи също се променя - от равнинна на закривена, а ламелите са обърнати на другата страна. По този начин връзката с покривната конструкция се променя коренно - покривните черупки стават самоносещи и функциите на жалузите значително се облекчават.

Изграждането на покрива се изпълнява поетапно, а черупкуте се изграждат чрез използването на части от сферични повърхности.

Дворецът на изкуствата Кралица София, Валенсия
Още един от шедьоврите на съвременната архитектура – сградата на операта във Валенсия. Сградата, проектирана от световноизвестния архитект Сантяго Калатрава, е открита през 2005 година. Дворецът Кралица София е част от огромен комплекс – Градът на изкуствата. Сградата на двореца е разположена по главната ос на комплекса. Състои се от три зали, простиращи се площ от 87 000 квадратни метра. Самата сграда е висока 70 метра и е 40 000 квадратни метра обща площ. Сред най-впечатляващите конструктивни елементи на сградата е покривът й, който ще разгледаме и по-подробни, предвид тематиката на статията.

Наричат покрива още и „щръкналото перо”, заради впечатляващия му дизайн – състои се от два елемента, наподобяващи раковини, които обгръщат сградата отвън. Тези черупки са изработени от ламарина и тежат приблизително 3000 тона. Основната форма на сградата е купол под голяма стоманена каскада, крепяща се на две опори, като източният край на покрива се издава напред без никаква опора. Метална конструкция с формата на перо се проточва над сградата, тръгвайки от една подсилена бетонна опора. Дължината на „перото” е 230 метра.

Отличителните характеристики са двете обвивки, които сякаш се издуват на върха на овална основа като ираздувани платна от вятъра. Морската тема се преплита много умело с месторазположението на сградата – коритото на река Туриа, както и близостта на океана.

L'Oceanogrђfic
L'Oceanogrђfic е моркси парк, разположен в източната част на Валенсия, където са представени различни морски обитатели. Това е най-големият аквариум в Европа. Всяка една от сградите се идентифицира с определена морска екосистема - Средиземно море, влажни зони, умерените и тропически моретата, океаните, Антарктика, Арктика, острови и Червено море.

Покривът представлява бетонна черупка от типа секториални - черупки с двустранна кривина над многоъгълна основа. В случая – шестоъгълник. Черупките са с дебелина 6 сантиметра и „вплетени” стоманени нишки.