Forme portante
Sticla este un material care nu suporta decat o tensionare destul de mica, dar este foarte rezistent la presiune. Daca se combina materiale rezistente la tensionare cu sticla in forme portante foarte rezistente, se pot cladi structuri portante impunatoare si filigrane.
Constructiile curbate cu pereti subtiri sunt fiabile mai ales pentru ca, prin forma si stabilitatea proprie a constructiei, pot sa absoarba aproape fara sa se deformeze, in acelasi timp presiune, tensiune si loviri. Pentru materialul uzual in constructii, sticla calco-sodica, rezistenta la tensiune in stare tehnica detensionata se situeaza intre 30 si 90 N/mm2, rezistenta la presiune insa intre 880 si 950 N/mm2. Procedura tehnica de pretensionare muta aceasta plaja de valori cu circa 100 N/mm2 in favoarea rezistentei la tensionare. Sticla este astfel un material care, datorita rezistentelor diferite la presiune si tensionare, se preteaza la constructia de cupole. Astfel, sticla se aseamana in comportamentul sau cu betonul nearmat, acesta din urma situandu-se insa la un nivel mai inalt.
De asemenea, nu se poate monta sticla precum elementele de cupola din beton prin procedura Torkret (aplicandu-se beton stropit pe armatura deja montata), ci de abia pe santier in forma si marimea dorita. Constructorul este limitat atat de dimensiunile de baza uzuale ale masurilor benzii produse in atelierele de geam plan, cat si de dimensiunile realizabile industrial, mai ales cand este vorba de structuri portante cu geam termoizolant. Dar tocmai in ultima vreme s-a doborat record dupa record in ceea ce priveste dimensiunile geamurilor izolatoare. De curand scriam in GFF nr. 9 din 2005 despre probabil cel mai mare geam termoizolant din lume, avand dimensiunile de 900 cm x 321 cm.
Din punctul de vedere al optimizarii productiei, cupolele geodezice par a fi cele mai avantajoase, pentru ca elementele din sticla si cele portante au dimensiuni si noduri identice. Cu posibilitatile de astazi de proiectare cu ajutorul calculatorului si de productie, nu mai este decat o problema de logistica in a construi si alte forme de cupole fiabile din sticla si metal.
Un punct problematic este vizibil totdeauna la cupole foarte joase: la sarcini asimetrice, cum se intampla la acoperisuri incarcate chiar si numai partial cu zapada, placile plate au mai degraba tendinta sa se curbeze. Astfel se obtine din nou o structura curbata, dar structura portanta sub presiune devine o structura tensionata din membrane. De multe ori insa o constructie este optimizata doar pentru un anume comportament portant, astfel incat in cazul unei curbari este posibila o slabire macar locala a fortei portante.
De aceea s-a impus la cupolele din metal si sticla construite pana acum, intarirea cu structuri din cabluri si piloni pentru a evita o schimbare a directiei sarcinii.
Constructii curbate in practica actuala
In ultimii ani s-a etalat un concept de constructie cu totul nou. Punctul de plecare l-au constituit structurile portante fara piloni din perne de folie umplute cu aer. O constructie impresionanta de acest gen este „Project Eden” a arhitectului Nicolas Grimshaw din anul 2000 in apropiere de St. Austell in regiunea Cornwall (detalii despre „Eden Project“ la www.apexnewpix.com). Sarcina era sa se construiasca un „paradis” pe insula britanica, care sa cuprinda toate zonele climaterice de pe Terra: astfel s-a nascut pe 16.000 mp „Humid Tropics Biome“ (HTB), care ofera conditiile unei paduri tropicale, iar pe alti 6.500 mp un „Warm Temperate Biome“ (WTB), care reda conditiile mediteraneene.
A fost aleasa o structura de membrane, prin care se putea ajunge la un maxim in dimensiune si rezistenta, la un minim de constructie. Structura cu cate patru „bule” sferice insiruite aduce aminte de cupolele lui Walter Bauersfeld si Buckminster Fuller cu grinda cu zabrele din otel, care se intinde pe o distanta de pana la 110 m la o altitudine de 55 m, fara piloni. Forta de sustinere imensa a portantelor legate inclinat este preluata de o fundatie circulara, care inconjoara cladirile neregulat: 2 m in latime, 1.5 m in adancime si 858 m in lungime – in total s-au prins in pamant 2.460 mc de beton si 284 t de armare. De aceea, participantii la proiect au numit fundatia „Zidul Chinezesc in miniatura“.
In planul invelisului exterior, curbat pe doua axe, grinda cu zabrele creeaza o structura hexagonala cu pentagoane asezate aleatoriu, care determina curbura, asa cum o cunoastem de exemplu de la mingea de fotbal. Planul portant interior creeaza in schimb hexagoane si triunghiuri, o structura geometrica denumita si „hex-tri-hex”. Cu cat creste deschiderea, cu atat cresc si hexagoanele in dimensiuni, lungimea marginilor ajungand la pana la 5,4 m. Cele 831 de perne ale invelisului cladirii se impart in 625 de hexagoane, 16 pentagoane si 190 de triunghiuri.
Una din sarcinile principale era sa se permita accesul luminii naturale, pentru a permite plantelor sa creasca in mod optim.
Fiecare din elementele de suprafata este invelit intr-o perna din membrana de etilena-tetra-fluor-etilena (ETFE).
Folia de ETFE este cunoscuta pentru excelenta permeabilitate la lumina (circa 99%) precum si la razele ultraviolete. Aceasta folie speciala nu este o noutate, ea este folosita de mai multi ani ca invelis pentru sere de inalta calitate, dat fiind ca ofera protectie impotriva efectelor luminii nefavorabile, care se regasesc in natura libera.
La proiectul Eden s-au folosit la capitonarea acoperisului, precum si in „Tropical Island” creat in fosta hala Cargolifter din Brand, la sud-vest de Berlin, perne din folii ETFE in trei straturi: 56 de perne dreptunghiulare cu dimensiunile de 23,6 m x 15,8 m, cu o folie intinsa, aplicata pe mijloc, care sa stabileasca forma si dimensiunea elementului. Stabilitatea si izolarea termica se realizeaza printr-o folie deasupra si dedesubt, special taiata, care creeaza o presiune usoara dar constanta de circa 0,2 pana la 0,8 kilopascal, dand astfel forma de perna. Foliile au de regula o grosime de 100 pana la 200 mm.
Ca protectie impotriva razelor solare, aceste folii pot fi si imprimate. Ca o masura speciala de reglare a protectiei solare se foloseste procedeul de a imprima doua folii cu un model si asezarea lor usor diferita: daca se pompeaza aerul in camera corespunzatoare, foliile isi schimba pozitia in asa fel, incat partile neimprimate ale unei folii corespund partilor imprimate ale celeilalte folii, creandu-se astfel o opacitate maxima. Daca pernele sunt umflate, razele solare pot trece doar prin partile neimprimate ale foliilor.
O arhitectura deosebit de impunatoare, cauzata mai degraba de forma decat de scop, realizata de asemenea cu o structura de perne ETFE comparabila din punct de vedere tehnic, este stadionul Allianz Arena din München. Nu doar constructia deosebit de transparenta a acoperisului cu un grad de transparenta de pana la 98% este foarte impunatoare, ci mai ales fatada din „perne” confectionate din folie ETFE umplute cu aer la presiune constanta, iluminate de neoane colorate, este unica. Aici s-au folosit 2.760 de „perne“ pe o suprafata totala de 87.600 mp.
O problema esentiala a tuturor constructiilor de membrane este ca aceste constructii functioneaza in parametri optimi doar daca trebuie acoperite perimetre rotunde, eliptice sau macar ovale. Fortele ce se creeaza astfel se pot imparti cel mai bine in forte de presiune si de tractiune, ceea ce se rasfrange pozitiv asupra costurilor constructiilor, fiind posibila realizarea de structuri ieftine si usoare (vezi imaginea 14). Pe astfel de constructii usoare, se poate lesne vedea cum „curg” fortele, ele fiind chiar un deliciu optic.
Cu cat forma devine mai colturoasa, cu atat realizarea este mai problematica. Dar, tocmai pentru ca structurile portante au zabrele, campurile patrate sunt cel mai economicos de realizat. Aici sticla, ca material de constructii, are un rol de o importanta cruciala. Forta de tensionare, care rezulta din tensiunea membranei, poate fi absorbita cel mai bine de sticla, prin proprietatile ei de material rezistent la presiune, rezultand un element combinat, care a fost prezentat acum putin timp la Glass Processing Days 2005 la Tampere, in Finlanda: „Glass Foil”.
Noutatea consta in combinarea unui geam ESG cu o grosime de doar cativa milimetri, de exemplu din sticla alba, asezat central, aplicandu-se cate o folie ETFE pe si sub acesta, de doar 100 mm. Astfel se pot combina optim proprietatile celor doua materiale.
Un geam subtire, stratificat pe toate fetele, poate sa absoarba sarcini foarte mari. Intr-un caz concret, s-a aplicat o sarcina de 3,7 kN/m2 pe un geam ESG (sticla securizata dintr-o singura foaie) cu o grosime de 3,2 mm si dimensiuni de 144 cm x 157 cm. Din calculatia facuta printr-un procedeu nelinear a reiesit o sarcina de tensiune de 105 N/mm2, bine sub cele 130 N/mm2, limita de rupere. Un test real a confirmat capacitatea portanta si pe o perioada mai lunga.
Foliile asezate de ambele parti au ca efect nu doar o etanseizare fonica si termica a piesei de constructie mai buna, ele ofera o posibilitate sporita de a manevra presiunea in perne, stabilizand astfel placa din sticla (evita spargerea) si oprind, in cazul spargerii, caderea de cioburi. Astfel ar fi posibila folosirea de sticla securizata dintr-o singura foaie „tratata” ca si copertina, respectand prevederile tehnice pentru geam montat linear.
Deja de mai multi ani exista pe piata sisteme cu VSG (sticla securizata monolit) curbata, care devine prefabricat odata cu montarea feroneriei. Printre cele mai cunoscute se numara sticla curbata MAGLA®. Aria larga de aplicare ajunge de la simple copertine la acoperisuri largi din sticla ale statiilor de autobuz sau tramvai, in mall-uri, hoteluri si zone pietonale. In plan vertical sunt posibile extravagante invelisuri de fatade.
Sticla curbata Magla® este compusa dintr-un geam securizat curbat la rece, din ESG (la aplicatii pe verticala) respectiv din TVG (sticla pretensionata partial) (la copertine) de grosimi intre 8 si 16 mm cu cate 1,52 mm de folie polivinilbutiral (PVB). Dimensiunile geamurilor sunt intre 0,5 m x 1,2 m si 2,0 m x 5,0 m. Geamurile sunt curbate intr-un utilaj special si fixate prin intermediul feroneriei standardizate, care este folosita pentru a fixa intregul element de constructie pe structura portanta, prin ancore ajustabile. In functie de grosimea geamului, este nevoie de 2, respectiv, 3 ancore pentru fiecare element de sticla curbata.
Concluzii
Structurile portante au capacitatea speciala de a inzestra materialul folosit cu o eleganta optica. Daca este vorba de invelisuri de cladiri de inalta transparenta si in acelasi timp de mari dimensiuni, se pot crea elemente de constructie prin combinarea ingenioasa de sticla rezistenta la presiune cu folii ETFE rezistente la tensiune, elemente ale caror proprietati in ceea ce priveste greutatea redusa si luminozitatea sunt aproape fara egal.
Fantezia si simtul formelor nu ajung pentru planificarea si realizarea unei constructii de geam din membrane: pe langa ideea revolutionara mai trebuie investita multa munca a inginerilor in masurare si tehnologie, pentru a realiza o constructie de o inalta tinuta estetica si fiabila din punct de vedere al sigurantei si a durabilitatii.
Rezultatul acestei straduinte este pe de o parte nota arhitectonica deosebita, care se realizeaza cu astfel de constructii de sticla (si folie). Pe de alta parte sunt posibile capacitati portante nebanuite, un lucru folosit prea rar din pacate, ceea ce rezulta in constructii filigrane si usoare. In fine, acest aspect poate contribui la reducerea costurilor, astfel incat la o privire asupra costurilor totale, cu toate costurile crescute pentru sticla folosita, se poate ajunge totusi la un castig financiar. Pentru gandirea, din pacate uzuala in zilele noastre, axata pe masa, standarde si preturi cat mai reduse, astfel de constructii nu sunt potrivite, o astfel de gandire trebuie sa faca loc unei noi constiinte a valorilor.
