Kết cấu dây căng: cách thức hoạt động và các loại khác nhau

Thứ 2, 06/05/2019
729

Kết cấu dây căng mang đến vẻ táo bạo, mạnh mẽ và thể hiện được vẻ đẹp của kết cấu trong công trình kiến trúc. Kiến trúc sư Frei Otto là một kiến trúc sư bậc thầy về loại hình kết cấu rất thú vị này. Hãy cùng tìm hiểu về kết cấu dây căng cùng Designs.vn nhé.

ket-cau-day-cang-15

 

Trong lịch sử, được lấy cảm hứng từ một số nơi trú ẩn nhân tạo đầu tiên như lều da lạc đà của dân du mục sa mạc Sahara, Ả Rập Saudi và Iran, cũng như các cấu trúc được sử dụng bởi các bộ lạc người Mỹ bản địa. Kết cấu dây căng mang lại một số lợi thế so với các mô hình cấu trúc khác.

 

Kết cấu dây căng là thuật ngữ thường được dùng để chỉ việc xây dựng mái bằng cách sử dụng một màng được giữ cố định trên các cáp thép. Đặc điểm chính là chúng hoạt động dưới sức căng, dễ chế tạo trước, khả năng vượt nhịp lớn và tính dễ uốn. Hệ thống kết cấu này đòi hỏi một lượng vật liệu nhỏ nhờ sử dụng các tấm bạt mỏng, khi được kéo căng bằng cáp thép, tạo ra các bề mặt có khả năng chịu được các lực tác động lên nó.

 

Được sử dụng chủ yếu trong việc bao che của các trung tâm thể thao, sân vận động, và các công trình công nghiệp - nông nghiệp. Các cấu trúc kéo căng này được dựa trên hệ thống cũ được sử dụng trong Đế chế La Mã. Tuy nhiên, từ thời La Mã cho đến giữa thế kỷ 20, do nhu cầu thấp, tính khả dụng và vấn đề thiết hụt các nhà sản xuất dây cáp, tấm màng, và các mối liên kết có khả năng chống chịu lại các lực tác động, và tiến bộ công nghệ không nhiều. Chỉ sau cuộc cách mạng công nghiệp và khởi đầu của chủ nghĩa Ford mà những phát triển mới có thể đáp ứng nhu cầu thiết yếu của hệ thống kết cấu này. Chi phí sản xuất hàng loạt thấp và nhu cầu cần các hệ thống có khả năng thích ứng với các địa hình đa dạng nhất với các nhịp lớn, chẳng hạn như lều xiếc, đã kích thích sự phát triển của kỹ thuật này.

 

ket-cau-day-cang-15

 

Sự bất ổn định trong các mô hình trước ứng dụng các cáp xen kẽ và vỏ rất nhẹ, ảnh hưởng đến độ hiệu quả của cấu trúc, đã được giải quyết vào giữa thế kỷ trước. Thành tựu này đạt được là nhờ một hệ thống cáp thép và màng sợi có độ bền cao, cùng với các lớp sơn chống thấm, giúp bảo vệ chống lại các tia cực tím, nấm, lửa, và cho phép độ mờ và phản xạ lớn tùy ý.

 

Những nghiên cứu này đạt được là do các nghiên cứu về vật lý-cấu trúc của kiến trúc sư-kỹ sư người Đức, Frei Otto. Vào những năm 50, ông đã thực hiện các nghiên cứu khoa học đầu tiên và các công trình lợp đầu tiên sử dụng cáp thép kéo căng kết hợp với màng. 

 

Khi còn là sinh viên, Otto đã đến thăm văn phòng của Fred Severud, nơi ông nhìn thấy Nhà thi đấu Raleigh ở Bắc Carolina, ông đã rất ấn tượng với tính thẩm mỹ táo bạo và sự thoải mái tiện nghi của dự án. Khi trở lại Đức, ông bắt đầu nghiên cứu bằng các mô hình tỉ lệ nhỏ, tạo ra các bề mặt khác nhau, bằng dây xích, dây cáp, và các màn đàn hồi.

 

Nhận thấy được sự hữu ích của mái kéo căng, ông đã phát triển dự án quy mô lớn đầu tiên sử dụng hệ thống, dự án này đã giúp cho phép xây dựng các dự án sau này bao gồm sân vận động, câu lạc bộ, sở thú và gian hàng ở Olympic. Năm 1957, ông thành lập Trung tâm Phát triển Xây dựng Ánh sáng tại Berlin. Bảy năm sau, năm 1964, ông đã tạo ra Viện cấu trúc ánh sáng ở Berlin tại Đại học Stuttgart, Đức.

 

ket-cau-day-cang-15

 

Nhờ các thí nghiệm và sự sàng lọc kĩ thuật, ông đã thiết kế các công trình đáng chú ý, chẳng hạn như Gian hàng Đức (German Pavillion) ở triễn lãm 1967 ở Montreal và Sân vận động Olympic Munich vào 1972. Ông được biết đến nhờ các công trình nghiên cứu đồ sộ và được trao giải thưởng Huân chương Vàng RIBA vào 2006 và Giải Pritzker 2015. Frei Otto còn là tác giả của cuốn sách toàn diện đầu tiên về kết cấu kéo căng “Das Hangende Dach” vào 1958, và qua đó đã nhấn mạnh việc suy nghĩ lại về tính hợp lý, việc tiền chế, tính linh hoạt, chiếu sáng nội thất của vật liệu, và thậm chí là tính bền vững, khi mà thuật ngữ này vẫn chưa được dùng trong kiến trúc.

 

Có ba cách phân loại chính trong hệ thống kết cấu dây căng: cấu trúc màng căng, cấu trúc lưới căng và kết cấu khí nén. Cấu trúc màng căng liên quan đến các cấu trúc trong đó một tấm màng được giữ bằng dây cáp, điều này cho phép việc phân phối đều các lực kéo ra toàn bộ cấu trúc. Cấu trúc lưới căng là nói đến các kết cấu mà trong đó, một lưới cáp chịu lực và truyền các lực đó đến các thành phần khác nhau, chẳng hạn như các tấm kính hoặc gỗ. Và kết cấu khí nén, một tấm màng bảo vệ được nâng đỡ bằng khí áp.

 

 

Về mặt cấu tạo, hệ hống bao gồm 3 thành phần: các tấm màng, các cấu trúc cứng như cột, và cáp. Các tấm màng sợi polyester được bọc PVC có thể được sản xuất và lắp ráp dễ dàng, có giá thành thấp, và độ bền trung bình khoảng 10 năm.


ket-cau-day-cang-15

 

Màng sợi thủy tinh phủ PTFE có độ bền vượt trội vào khoảng 30 năm; và có sức chống chịu tốt hơn với các yếu tố tự nhiên (nắng, gió, mưa); tuy nhiên, loại này đòi hỏi lao động lành nghề.

 

Trong hệ thống này, có hai loại kết cấu chịu lực: trực tiếp và gián tiếp. Chịu lực trực tiếp là những kết cấu khi xây dựng được bố trí trực tiếp trên phần còn lại của cấu trúc tòa nhà, trong khi trường hợp thứ hai được bố trí từ một điểm nâng cao lên như cột để căng dây cáp.

 

ket-cau-day-cang-15

 

Các dây cáp, chịu trách nhiệm phân phối lực kéo và căng cứng của các tấm màng, được phân loại theo một trong hai cách dựa trên phương thức hoạt động của chúng: chịu tải và ổn định hóa. Cả hai loại cáp đều bắt chéo trực giao, đảm bảo cường độ theo hai hướng và tránh biến dạng. Các cáp chịu tải là những cáp trực tiếp nhận tải bên ngoài, được cố định tại các điểm cao nhất. Mặt khác, các cáp ổn định có nhiệm vụ hỗ trợ cho cáp chịu tải và vượt qua các cáp chịu tải trực giao. Có thể tránh gắn cáp ổn định xuống đất bằng cách sử dụng cáp cố định ngoại vi.

 

Hơn nữa, có một số tên gọi khác cho các loại cáp khác nhau tùy theo vị trí của chúng: cáp sườn núi (ridge-line) là cáp ở vị trí cao nhất, cáp thung lũng (valley) là cáp đặt thấp nhất; cáp tròn là các cáp ổn định đặt theo hình tròn. Cáp sườn núi chịu tải cân nặng còn cáp thung lũng chịu tải gió.

 

ket-cau-day-cang-15

 

Một số công trình sử dụng kết cấu dây căng:

 

 

Sân vận động Olympic Munich

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

German Pavilion at Expo 67

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

Millennium Dome

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

Nhà ga Denver Union

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

St. Christopher's Pavilion

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

Kết cấu mái sân vận động Maracana

 

ket-cau-day-cang-15

 

 

Sân vận động quốc gia Brasil

 

ket-cau-day-cang-15