Геодезический купол как архитектурная форма.
Геодезический купол - сферическое архитектурное сооружение, которое собранно из стержней, образует геодезическую структуру, благодаря какой сооружение начинает обладать отличными несущими качествами.
Геодезический купол - это сетчатая несущая оболочка.
Форму купола образуют особые соединения балок: в каждом из узлов сходятся рёбра слегка разной длины, которые и делают многогранник, близкий формой к сфере.
История геодезического купола.
Купол, как архитектурная форма известен с давних времён, как особо прочная конструкция, которой можно накрывать большие площади.
Геодезическая конструкция была изобретена и запатентована в 1951 г. американским изобретателем Ричардом Фуллером (12.07.1895 - 01.07.1983). Над этой идеей изобретатель работал с 1947 г., искренне надеясь, что применение геодезических куполов в строительстве поможет решить жилищный кризис после войны.
Геодезический купол – одно из практических применений фуллеровской геометрии, основанной на векторном разбиении пространства. Главная единица этого деления – тетраэдр, грани какого располагают на геодезических линиях (линии, соединяющие 2 точки на криволинейной поверхности). Такое разбитие помогает добиваться оптимального заполнения пространств и более полного использования структурной прочности материалов.
Геодезический купол способен покрывать максимально возможные пространства, с использованием меньшего количества строй. материалов. И чем масштабнее купол, тем легче и прочней его конструкция.
На практике геодезические купола составлены из отрезков деревянных брусьев (металлических стержней, пластмассовых труб), которые имеют точно рассчитанную длину и соединены друг с другом под определённым углом.
Неофициальные данные утверждают, что ещё в 1951 г. Фуллер построил 1ый свой вариант купола в Кабуле – в качестве павильона на Международной выставке в США. Это был экспонат из труб алюминия, имевших диаметр 30 м и площадь основания 8 тыс.2 футов. Сам купол собрали несколько рабочих невысокой квалификации, не знающими англ. языка, но сумевшими собрать меченные цветным кодом элементы конструкций. Геодезический купол смог вызвать у посетителей выставки намного больший интерес, чем размещённые в нём экспонаты.
В 1954 г. Генри Форд заказал геодезический купол для штаб-квартиры Форд Моторс. В 1958 г. был возведён геодезический купол для сада ботаники в Сент-Луисе. В 1959 г. купол накрыл павильон на выставке в Москве. В 1967 г. ещё более масштабный был построен геодезический в Монреале.
На сегодняшний день геодезические купола используют повсюду - в выставочных павильонах, крышах для стадионов, бассейнов, теннисных кортов и т.д., под ними скрывают элементы радиолокационных станций, защищают полярные экспедиции от антарктического холода. Геодезический купол - незаменимый элемент в проектах по освоению Марса и Луны, основа для постройки гигантских космических станций в космосе.
Виды геодезических куполов.
Геодезический купол, являясь одним из практических применений геометрии Фуллера, основан на векторном разбитии пространства. Основная единица деления - тетраэдр, грани какого располагаются по геодезическим линиям (кратчайшие линии, соединяют 2 точки на криво линейной поверхности). Такое разбиение помогает добиваться оптимального заполнения пространства и более полного пользования структурной прочности материала.
Тетраэдр (4ёхгранник) - многогранник с 4мя треугольными гранями, в каждой из вершин какого сходится по 3 грани. У тетраэдра 4 грани, 4 вершины и 6 рёбер.
На практике геодезические купола чаще всего создаются на основе икосаэдра, ведь икосаэдр удачней всего из других правильных многогранников подходит для создания подобия сферы методом рекурсивного разбиения. В икосаэдр можно вписать тетраэдр, при этом, 4 вершины тетраэдра совмещают с 4мя вершинами икосаэдра.
Икосаэдр - правильный выпуклый многогранник, 20тигранник, одно из Платоновых тел. Каждая из 20ти граней представляет из себя равносторонний треугольник. Число рёбер равно 30ти, число вершин - 12ти.
Частота разбиения показывает, с какой точностью конкретная геодезическая конструкция близка к форме идеального шара. Теоретически, чем больше частота разбиения, тем прочней конструкция.
Энергоэффективность купольного сооружения.
Почему купольное сооружение позволяет сэкономить на энергоресурсах около 20ти%?
Всё объяснимо: сфера имеет и меньшую площадь поверхности среди других фигур такой же ёмкости.
Пример: здание, площадь 50 кв. метров. Прямоугольный и в виде сферы. Утепление - одинаковое.
Площадь поверхностей прямоугольного здания (стены+ крыша) - 2,6х10+2,6х10+2,6х5+2,6х5+10х5=128 кв. м.
Объём прямоугольного сооружения с высотой потолка 2,6 м - 10х5х2,6=130 кубических м.
Высота потолка 2,6 м взята для того, чтоб уравнять внутренние объемы 2ух объектов.
Площадь половины поверхностей сферы (купольное сооружение) - S=2πR2 - 100,5 кв. м.
Объём сферы по формуле - V=(4πR3)/3 - 268 куб. м. Радиус R=4 м.
Объём половины сферы (купольное) - 134 куб. м.
Имеем 128,0 кв. м площадь поверхности прямоугольной постройки против 100,5 кв. м площадь поверхности купольной.
Меньше трат на обогрев (из-за снижения потерь на рассеивание тепла) - мин. 20%.
Очевидно, что и система отопления требует меньших затрат - потому что меньшая мощность требуется.
Если меньше тепла рассеивается, то и меньше тепла проникает внутрь - меньше расходы на кондиционирование.
Преимущества и недостатки геодезических куполов.
Геодезический купол просто красив, и это уже само по себе – огромное преимущество.
Очевидные плюсы строений, в основе которых геодезический купол определяются свойствами сферы:
Макс. внутренний объём при одной с «прямоугольным» строением площадью. – Больше света и воздуха. Меньше - на 30% - затрат на строй. материалы.
Мин. площадь поверхности (внешней) при одной и той же с «прямоугольным» строением полезной площадью. – Меньше теряется тепло зимой. Меньше тепло поглощается летом. Соответственно снижается (на 30%) расход на кондиционирование и обогрев.
Геодезический купол лёгкий. – Для постройки купольного сооружения не требуется мощный и дорогой фундамент.
Геодезический купол способен вместить условно любое количество окон, можно остеклять даже весь купол – это практически не влияет на его характеристики прочности.
Сфера – очень надёжная конструкция, в которой нет отдельной «крыши», системы строп, тяжёлых перекрытий. Поэтому купольные сооружения обладают повышенной сейсмоустойчивостью, и разрушение 35% элементов конструкций не приведёт к её обрушению.
Недостижимая для иных строений надёжность и прочность, позволяет им выдержать большую снеговую нагрузку.
Непревзойдённая аэродинамика купола обеспечивает прекрасное огибание ветром. – Купольные здания доказали свою непревзойдённую устойчивость в процессе разрушительных ураганов и смерчей в США.
Небольшое купольное сооружение не имеет несущие стены, в большом – несущие стены могут устанавливаться достаточно произвольно, что даёт большую свободу при планировке (внутренней).
Через небольшую площадь поверхностей проникает меньше звука, что делает нахождение в купольном здании более комфортным.
Симметрия сферы помогает более эффективно сориентировать в пространстве размещённые на ней модули и солнечные батареи.
Купольное строение можно как угодно размещать на территории – оно всё равно «круглое».
И, опять же, купольное здание, как всё круглое, просто красиво.
Купола известны с незапамятных времён, как особо прочные архитектурные формы. Особенность геодезического купола в том, что его несущая способность тем больше, чем больше размер купола, причем прочность купола мало зависит от прочностных характеристик используемых материалов.
Геодезический купол – это конструктор, потому для постройки его не требуется квалифицированная сила специалистов, а сама сборка производится достаточно быстро.
Ещё одна особенность купола – для него, в большинстве своём, не требуется тяжёлая техника, потому что элементы купола малого веса и размера, их можно легко монтировать даже вручную.
Идеальная форма геодезического купола , его аэро- динамичность и быстрая скорость сборки делают возможным возведение таких построек в условиях даже ураганных ветров.
Недостатки геодезических куполов.
У купольных строений имеются и свои недостатки, и геодезический купол – не исключение. Поэтому прежде чем строить купольное здание, необходимо получить хорошее понимание "слабых мест" геодезических сооружений, досконально разобраться с особенностями проектирования и строительства геодезических куполов. Тут нет ничего слишком сложного- Просто стандартные, "квадратные" здания строятся повсюду, и недостатки строительства их всем известны, а купольные здания - ещё экзотика.
Основные недостатки и способы устранения недостатков:
Конечно, сложность расчётов. Геодезический купол нельзя начертить и рассчитать только в 2ух плоскостях. Нужно иметь развитое воображение (пространственное) и хорошие познания в программах 3D. - Отличным решением может стать покупка уже готовых архитектурных проектов.
Тонкости и нюансы сооружения купольных конструкций не описываются в классической литературе по архитектуре, с ними не сталкиваются обычные строители в ежедневной практике.
При строительстве такого строения (ресторана, клуба, кемпинга, дома) возникает больше отходов строй. материалов в сравнении с количеством отходов, неизбежных при возведении прямоугольного здания. Связано это с тем, что строй. материалы поставляются, зачастую, прямоугольными, а основной «кирпич» для купола – это треугольник. - Острота проблем снизится, если учесть при расчётах размер применяемых материалов и удачно расположить на них треугольные детали.
Необходимость применения, в большинстве своём, нестандартных, изготовленных специально дверей, окон, пожарных лестниц, а так же сделанной на заказ, мебели. – Особые треугольные мансардные или вертикальные окна могут изготовить на заказ, однако они стоят дороже.
Конечно, купол известен с незапамятных времен, и всегда ценился за особую прочность, способность без всяческих опор покрывать большие пространства. Но только после 1951 г., когда Фуллер представил миру своё изобретение, сооружение куполов стало понятным и простым занятием, а не уделом единичных мастеров.
