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

Kết cấu dây căng mang lại vẻ táo bạo, mạnh mẽ và thể hiện được nét đẹp của kết cấu trong công trình kiến trúc. Trong những KTS thiết kế bậc thầy về loại hình kết cấu rất hấp dẫn này, KTS thiết kế Frei Otto là một trong các người đi đầu.

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

Kết cấu dây căng là thuật ngữ thường được dùng để làm chỉ việc xây dựng mái bằng phương pháp sử dụng một màng được giữ cố định trên các cáp thép. Đặc thù 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 yêu sách một lượng nguyên liệu nhỏ nhờ sử dụng các tấm bạt mỏng, khi được kéo căng bằng cáp thép, tạo lên các bề mặt có khả năng chịu được các lực ảnh hưởng lên nó.

Được sử dụng chủ yếu trong việc bao che của những trung tâm Sport 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. Mặc dù thế, từ thời La Mã cho tới giữa thế kỷ 20, do nhu cầu thấp, tính khả dụng và vấn đề thiết hụt các hãng sản xuất dây cáp, tấm màng, và các mối gắn kết có khả năng chống chịu lại các lực ảnh hưởng, và tiến bộ công nghệ rất ít. Chỉ sau cuộc cách mạng công nghiệp và mở đầu của chủ nghĩa Ford mà những phát triển mới có thể thỏa mãn nhu cầu thiết yếu của hệ thống kết cấu này. Kinh phí sản xuất đồng loạt thấp và nhu cầu cần những hệ thống có khả năng thích ứng với các địa hình phong phú nhất với các nhịp lớn, giả dụ như lều xiếc, đã kích thích sự tiến lên của kỹ thuật này.

Sự không ổn định định trong những mô hình trước áp dụng các cáp đan xen và vỏ rất nhẹ, tác động 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 triển khai các nghiên cứu khoa học trước tiên và các công trình lợp trước tiên sử dụng cáp thép kéo căng phối hợp với màng.

Lúc còn là sinh viên, Otto đã đến thăm công sở của Fred Severud, nơi ông trông 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 quay trở lại Đức, ông bắt đầu nghiên cứu bằng các mô hình tỉ lệ nhỏ, tạo lên các bề mặt không giống nhau, bằng dây xích, dây cáp, và các màn đàn hồi.

Nhận ra được sự hữu dụng của mái kéo căng, ông đã phát triển dự án quy mô lớn trước tiên sử dụng hệ thống, dự án này đã giúp cho phép xây dựng các dự án về sau gồm có sân vận động, CLB, sở thú và quầy 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 hình thành Viện cấu trúc ánh sáng ở Berlin tại Đại học Stuttgart, Đức.

Nhờ các thí nghiệm và sự sàng lọc kĩ thuật, ông đã thiết kế các công trình đáng lưu ý, giả dụ như Quầy bán 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 phần thưởng Huân chương Vàng RIBA vào 2006 và Giải Pritzker 2015. Frei Otto còn là tác giả của quyển sách toàn diện trước tiên về kết cấu kéo căng “Das Hangende Dach” vào 1958, và qua đó đã nhấn mạnh việc ý nghĩ lại về tính hợp lí, việc tiền chế, tính linh động, chiếu sáng nội thất của nguyên liệu, và thậm chí là tính vững chắc, 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 1 tấm màng được giữ bằng dây cáp, điều ấy cho phép việc phân phối đều các lực lấy ra tất cả cấu trúc. Cấu trúc lưới căng là nói tới các kết cấu mà trong đó, một lưới cáp chịu lực và truyền các lực đó đến các thành phần không giống nhau, giả dụ như các tấm kính hoặc gỗ. Và kết cấu khí nén, 1 tấm màng bảo vệ được nâng đỡ bằng khí áp.

https://www.youtube.com/watch?v=Z0mtFMoseUk

Về mặt cấu tạo, hệ hống gồm có 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 rất rẻ, và độ bền trung bình khoảng 10 năm.

Màng sợi thủy tinh phủ PTFE có độ bền vượt bậc vào khoảng 30 năm; và có sức chống chịu tốt hơn với các nhân tố tự nhiên (nắng, gió, mưa); thế nhưng, loại này yêu sách lao động tay nghề cao.

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 sắp đặt trực tiếp trên phần còn lại của cấu trúc tòa nhà, trong lúc trường hợp thứ 2 được sắp đặt từ 1 điểm nâng cao lên như cột để căng dây cáp.

Các dây cáp, chịu trách nhiệm phân phối lực kéo và căng cứng của những tấm màng, được phân loại theo 1 trong hai cách dựa trên cách thức hoạt động của chúng: chịu tải và ổn định hóa. Cả hai loại cáp đều bắt chéo trực giao, bảo đảm cường độ theo hai hướng và tránh biến dạng. Các cáp chịu tải là những cáp trực tiếp nhận tải bên phía ngoài, được cố định tại các điểm cao tối đa. 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 phương pháp sử dụng cáp cố định ngoại vi.

Hơn thế nữa, có một vài tên thường gọi khác cho những loại cáp không giống nhau phụ thuộc vào địa điểm của chúng: cáp sườn núi (ridge-line) là cáp tại vị trí cao tối đa, cáp thung lũng (valley) là cáp đặt thấp nhất; cáp tròn là các cáp ổn định đặt theo như hình tròn. Cáp sườn núi chịu tải cân nặng còn cáp thung lũng chịu tải gió.