I WSTĘP 1.1.Wprowadzenie

W ostatnich latach można zaobserwować w aglomeracjach miejskich wzrost zapotrzebowania na konstrukcje wieżowe, na których umieszczone są billboardy reklamowe. Stawiane są one przed np. centrami handlowymi, salonami samochodowymi, restauracjami. Mają one charakter informacyjny i ułatwiają lokalizację obiektu. Konstrukcje wieżowe są najczęściej pionowymi budowlami wolnostojącymi lub ewentualnie wyodrębnionymi częściami innej budowli. Ze względu na przekrój poprzeczny wieże mogą być budowane na planie koła, owalu, kwadratu, prostokąta lub wieloboku foremnego. Cechą charakterystyczną wszystkich wież jest to, że pod względem statecznym są wspornikami oraz, że jeden wymiar (wysokość) jest znacznie większy od pozostałych [3].

Ze względu na konstrukcję, wieże można podzielić na: • hybrydowe, • stalowe, • żelbetowe, • kamienne, • drewniane.

W końcowej części tego podrozdziału chciałbym wyjaśnić różnicę pomiędzy wieżą a masztem, gdyż pojęcia te są często mylone. Maszt jest również konstrukcją prętową, charakteryzującą się znaczną wysokością, służącą do zawieszania nadawczych i odbiorczych anten, jednakże głównymi elementami konstrukcyjnymi masztu są trzon i odciągi, utrzymujące trzon w stanie równowagi statecznej. Porównując konstrukcję stalową wieży i masztu o zbliżonej wysokości: • na wybudowanie masztu zostanie zużyte mniej stali, • na wybudowanie wieży potrzebujemy znacznie mniej powierzchni, • konserwacja masztów a zwłaszcza odciągów jest bardziej niebezpieczna i skomplikowana niż w przypadku konserwacji wieży.[3] 1.1. Podstawa opracowania. Podstawą formalną niniejszej inżynierskiej pracy dyplomowej jest temat wydany w maju 2011 r. przez Katedrę Konstrukcji Budowlanych wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Rzeszowskiej. Treść tematu brzmi następująco: „Projekt stalowej wieży tensegrity”. W pracy wykorzystano normy budowlane Eurokod, skrypty naukowe Politechniki Rzeszowskiej dra Bieńka, podręczniki , książki i publikacje podane na końcu pracy w spisie piśmiennictwa. 1.2. Cel i zakres opracowania. Podstawowym celem niniejszej inżynierskiej pracy dyplomowej jest zaprojektowanie wieży w układzie tensegrity wykorzystywanej jako wieża reklamowa. Wieża została zaprojektowana na warunki obciążenia wiatrem panujące w strefie I. W niniejszej pracy wykonano następujący zakres prac projektowych: • wybrano koncepcję kształtu oraz ustalono wysokość wieży, • wykonano model wieży w programie Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2010, • wykonano zestawienie obciążeń oraz ustalono kombinacje obliczeniowe obciążeń, • dobrano pręty ze względu na stan graniczny nośności, • sprawdzono stan graniczny użytkowalności konstrukcji, • zaprojektowano połączenia, złącza oraz fundament • wykonano rysunki: -zestawieniowe, -montażowe, -warsztatowe dla jednego segmentu.

II CHARAKTERYSTYKA UKŁADU TENSEGRITY 2.1. Wprowadzenie Tensegrity to powiązanie dwóch terminów: „tension” (naprężenie) i „integrity” (integralność). Struktura ta umożliwia tworzenie widowiskowych, spektakularnych, lekkich konstrukcji, sprawiających wrażenie zbioru prętów zawieszonych w powietrzu. Tensegrity bazuje na zastosowaniu elementów ściskanych, umieszczonych w sieci elementów rozciąganych w taki sposób, że komponenty ściskane (zwykle pręty) nie stykają się ze sobą, a wstępnie sprężone elementy rozciągane (zwykle cięgna) nadają formę przestrzenną całej konstrukcji. Richard Buckminster Fuller, jeden z odkrywców układu, ujął to obrazowo, mówiąc o współdziałaniu „wysp elementów ściskanych” otoczonych „morzem elementów rozciąganych”. W takich układach pręty tworzą spójną strukturę jedynie za pomocą wstępnie naprężonych cięgien.[1, 2] 2.2. Historia powstania układu tensegrity Za twórców systemu można uważać aż 3 postacie: • Richarda Buckminstera Fullera (zgłoszony patent 13.11.1962) • Davida Georgesa Emmericha(zgłoszony patent 28.09.1964) • Kennetha Snelsona (zgłoszony patent 16.02.1965)

Jako prototyp układu tensegrity można uważać pracę stworzona w 1920r. przez rosyjskiego artystę Karla Iogansona [rys 2.1.].

Rys 2. 1. Prototyp struktury tensegrity

Był to układ „Structure- Sculpture” złożony z trzech prętów, siedmiu linek i jednego cięgna nienaprężonego, służącego do zmiany konfiguracji systemu, ale spełniającego funkcję utrzymania równowagi. Brak wstępnego sprężenia konstrukcji, który jest jedną z charakterystycznych cech układu tensegrity, nie pozwaloliła pracy Karla Iogansona na to, by była uważana za pierwszą ze struktur tensegrity.[4, 5] Węgierski architekt i inżynier Emmerich, zainspirowany pracą Iogansona zaczął studiować różnego rodzaju konstrukcje, m. in. rozciągane pryzmaty i bardziej złożone układy tensegrity, które nazwał „rozciąganie wstępnie sprężonych struktur”. Przyznał, że taki układ, jaki zaprezentował Ioganson jest bardzo zbliżony do wynalezionego przez niego układu „Elementary Equilibrium” z trzema prętami i dziewięcioma cięgnami [rys 2.2.].

Rys 2. 2. Struktura tensegrity Emericha

Po niektórych badaniach Emmerich wynalazł struktury niemalże identyczne do figur pozostałych odkrywców. Jedna z bardziej kontrowersyjnych spraw był trwający ponad 30 lat konflikt pomiędzy wykładowcą w Black Mountain Collage w USA Richardem Buckminsterem Fullerem a jego studentem Kennethem Snelsonem. Kenneth, student sztuki uczęszczający na wykłady Fullera o konstrukcjach geodezyjnych, zaprojektował nowy rodzaj rzeźby, która można uważać za pierwszą strukturę tensegrity. Kiedy Snelson pokazał swą rzeźbę Fullerowi, profesor został zainspirowany zjawiskowym modelem. Nawet jeśli początkowo wykładowca wspominał swojego studenta jako autora odkrycia, po jakimś czasie zaczął uważać je za swój wynalazek. Termin ten wprowadził w roku 1955 jako kombinacja słów „Tensional - Integrity”, a sam fakt nazwanie nowego typu struktur pojęciem, które on sam wymyślił, pozwoliło wszystkim uważać, że to właśnie jego innowacyjna konstrukcja.[4, 6,11] Snelson był wyraźnie zmieszany zaistniałą sytuacją. Fuller przyrzekał, że jego imię przejdzie do historii, by kilka lat później zmienić całkowicie zdanie i prosić, by na jakiś czas pozostał anonimowy. Taki rozwój sytuacji skłonił Snelsona do egzekwowania współudziału w odkrycie podczas wystawy prac Fullera w 1959r. w Muzeum Sztuki Współczesnej (MOMA) w Nowym Jorku. Jego wkład w tworzeniu tensegrity został ostatecznie uznany i ogłoszony publicznie. Fuller nie mogł się pogodzić iż Nelson jest współodkrywcą systemu. Zawsze uważał, że tensegrity nie zostałoby nigdy odkryte jako nowy rodzaj struktury, gdyby wynalazek Snelsona nie zauważył on sam. W rzeczywistości Fuller nawet nie wspomniał o swoim dawnym studencie w jednej z ważniejszych i uznanych książek o układze tensegrity pt.„Synergetics”.

Któż zatem wynalazł tensegrity? Odpowiedź nie jest prosta. „Synergia”- współdziałanie naprężeń ściskających i rozciągających - stworzona przez obydwu, studenta i profesora, stanowiła źródło i początek tensegrity. Choć sprawa autorstwa jest bardzo ważna dla obydwu, szczególnie dla Snelsona, który jako jedyny jeszcze żyje, możliwe, że lepszym rozwiązaniem byłoby poświęcić więcej uwagi możliwościom jakie daje struktura, nie zaś samemu sporowi.

Snelson, mimo że zaczął analizować zasady, jakimi się rządzi tensegrity, podsumowując je na własnej stronie internetowej - skupił się jednak tylko i wyłącznie na estetycznym i rzeźbiarskim cechach układu. Unikał ściśle matematycznego i fizycznego opisu naukowego. Taka postawa doprowadziła go do stworzenia wielu różnych konfiguracji tensegrity- niesymetrycznych, niepowtarzalnych, niezwykłych, unikalnych i wyjątkowych. Imponujące rzeźby Snelsona są znane całym świecie [rys. 2.3.].[5]

Rys 2.3. Rzeźba Nelsona „Smok”

2.3 . Zasada działania tensegrity Konstrukcje oparte na strukturze tensegrity są konstrukcjami złożone tylko i wyłącznie z prostych prętów i cięgien. Pręty przenoszą siły ściskające, a cięgna rozciągające. Pręty w żadnym miejscu nie są połączone ze sobą, a w przestrzeni powiązane są jedynie za pomocą cięgien. Siły rozciągające w takich konstrukcjach są przenoszone po najkrótszych możliwych drogach, dzięki temu konstrukcje tensegrity wykorzystują maksymalnie wytrzymałość danego materiału, przy jego minimalnym zużyciu. Struktura ta zapewnia stabilność (sztywność) dzięki wstępnemu naprężeniu elementów rozciąganych. Nie jest to jednak spowodowane wytrzymałością poszczególnych prętów, lecz ich powiązaniami, w których naprężenia są rozdzielone i zrównoważone równomiernie w całej kontrukcji tensegrity. W skutek tego siły w strukturze są w ciągły sposób przenoszone przez wszystkie ich pręty. Ogólny przyrost naprężeń rozciągających w elementach rozciąganych (cięgnach) jest równoważony przyrostem naprężeń ściskających w elementach ściskanych (prętach). W ten sposób struktura ulega samostabilizacji.[10] 2.4 . Zrealizowane obiekty w strukturze tensegrity Struktura tensegrity zyskuje coraz większe zastosowanie. Jedne z obiektów bazujące na tej strukturze to: • wieża w Rostocku (Niemcy)[rys 2.4.], najwyższa wieża w tym systemie (mimo, iż nie jest ona zbudowana zgodnie z definicją tensegrity, gdyż pręty połączone są ze sobą w węźle)[rys 2.5], mająca 62,3m wysokości (wraz z iglicą). W przekroju wieża ta zbudowana jest na planie trójkąta równobocznego o boku równym 4,33m. Jest ona inspiracją zaprojektowanej w niniejszej pracy inżynierskiej wieży,[8]

Rys 2. 4. Wieża w Rostocku

Rys 2. 5. Wieża w Rostocku - węzeł

• pokrycie dachowe hali widowiskowo-sportowej w Katowicach [rys 2.6.], stalowa konstrukcja kopuły połączona jest z zewnętrznym stalowym pierścieniem za pomocą 120 lin nośnych w formie prętowo-cięgnowych kratownic,[9]

Rys 2. 6. Hala „Spodek” w Katowicach

• Most Kurilpa znajdujący się w Brisbane (Australii) [rys 2.7.]. Most ma 470 m długości, 6,5 m szerokości. Umożliwia on pieszym oraz rowerzystom komunikację na drugi brzeg rzeki .[7]

Rys 2. 7. Most Kurilpa w Brisbane