Проектирование и конструкция культовой сферической оболочки Музея киноакадемии Лос-Анджелеса

Проект стоимостью 388 млн долларов США состоит из шестиэтажного отремонтированного существующего здания завода по производству стеклянных зажимов и нового культового здания в форме купола, в котором размещается театр на 1000 мест. Два здания соединены несколькими частично подвесными мостами. Купол диаметром 150 футов (примерно 45 метров) представляет собой стальную сетчатую оболочку с тросовыми опорами и плоскими стеклянными панелями, похожими на плитку, на втором этаже.
Однослойная изогнутая конструкционная стальная труба имеет диаметр всего 4 дюйма. Структура земли, кажется, сливается с фоном, с легкостью и легкостью. Строительство стальной стеклянной конструкции было завершено осенью 2019 года. Knippers Helbig отвечает за проектирование и проектирование конструкции и стеклянной системы сферической стеклянной решетчатой оболочки от стадии концепции до подписания и заверения чертежей и расчетов, а также отвечает за проектирование и проектирование моста во время разработки.
Музей киноакадемии будет чествовать мастерство и технологии кино и станет первым в мире музеем и пространством для мероприятий, посвященным кино. Общая площадь проекта составляет 290 000 квадратных футов (приблизительно 27 000 квадратных метров) и состоит из шестиэтажного отремонтированного здания (бывший универмаг May Co.) и нового куполообразного здания с театром на 1000 мест. Над театром так называемая терраса Dolby Terrace покрыта впечатляющим 150-футовым (приблизительно 45 метров) широким стальным и стеклянным куполом и архитектурным ядром здания, которое будет использоваться для мероприятий и специальных выставок. Два здания соединены несколькими частично подвесными мостами. Совместно с архитектором-дизайнером Renzo Piano Building Workshop (RPBW) и исполнительным архитектором Gensler компания Knippers Helbig (KH) разработала структуру и стеклянную систему сферических стеклянных решетчатых оболочек на всех стадиях проектирования. Купольная конструкция представляет собой стальную сетчатую оболочку с кабельными опорами и плоскими стеклянными панелями, похожими на плитку, на втором этаже. KH также разработал концепцию для четырех мостов между куполом и соседними зданиями на этапе DD.
Стеклянный купол был разработан в тесном сотрудничестве с архитектором-дизайнером RPBW в Генуе, Италия. Навес в основном должен обеспечивать защиту от непогоды для террасы и изначально был спроектирован как закрытая стеклянная сфера. Позже он был преобразован в полусферу с широкими проемами на юг и север, что позволяло беспрепятственно видеть близлежащие Голливудские холмы.
Когда KH получила контракт на выполнение и реализацию проекта купола на всех этапах, целью было уменьшить визуальный облик основной конструкции. KH предлагает перейти от ранее спроектированной пространственной рамы к высокооптимизированной однослойной решетчатой оболочке. От первоначального эскиза до окончательной конструкции KH удалось изготовить круглую секцию из быстрорежущей стали диаметром 4 дюйма (100 мм) для главной арки купола, что позволило добиться кажущейся невесомости конструкции купола.
Помимо основной конструкции, необходимо скоординировать множество других элементов, таких как слой стекла для защиты от непогоды, соединительные кронштейны для внутренних затеняющих элементов купола, спринклерные трубы и электронные трубы, тяжелые анкеры для поддержки будущих выставочных экспонатов и лестницы для обслуживания, переходные мостики и анкерные крепления.
Общая геометрия стеклянного купола следует точной сфере диаметром 150 футов. Терраса находится на высоте около 76 футов над землей, а вершина стеклянного купола — на высоте около 120 футов. Отверстие на юге имеет высоту около 11 футов, а отверстие на севере — около 22 футов. Нижняя половина сферы была отрезана; однако она все еще частично перекрывается с железобетонной опорной конструкцией театра Геффен, образуя нижнюю половину сферы. В области перекрытия стальной/стеклянный купол оставляет зазор с открытыми сборными панелями, и несколько штифтов используются для стабилизации и обеспечения поддержки арки EW. Экранный короб и проекционный короб кинотеатра видны снаружи, поскольку они выступают из сферы.
Основная структура стальной сетчатой оболочки состоит из круглой арки из быстрорежущей стали диаметром 4 дюйма (100 мм) в направлении восток-запад. Арки параллельны друг другу в плане с интервалом 4 фута OC. В направлении север-юг радиальная арка (арка NS) изготовлена из специальных сплошных прямоугольных поперечных сечений и пересекает арки восток-запад перпендикулярно каждому узлу. Полученная четырехугольная сетчатая структура дополнительно поддерживается («перекрестно поддерживается») для обеспечения жесткости в плоскости. Двойные тросы диаметром 10 мм проходят по диагонали через весь купол и зажимаются в каждом узле сетки.
Вторичный Т-образный профиль проходит примерно. Расположенный на 10 дюймов выше основной конструкции восток-запад, он используется в качестве опоры для стеклянной панели. Вторичная конструкция поддерживается колоннами на каждом пересечении между аркой EW и аркой NS. Колонна и сфера радиальные и используются в качестве опоры для кабельного зажима. Следующий рисунок иллюстрирует конструкцию этой конструкции. Стеклянное окно состоит из двух плоских ламинированных стекол, изготовленных из 12-миллиметровых стеклянных пластин. Из-за изменения размера четырехугольной сетки размер всех панелей отличается. Знаковый вид черепицы стеклянного окна создается путем наступания на верхнюю часть Т-образной секции. Стеклянные панели слегка перекрывают друг друга на каждом шагу.
Круглая арка HSS ориентирована строго в направлении восток-запад и является основным несущим элементом. Они передают нагрузку купола на встроенное соединение бетонного купола. Поперечные элементы север-юг соединяют арки вместе. Хотя внешний диаметр непрерывной арки восток-запад остается прежним, толщина стенок регулируется для северных и южных проемов, чтобы учесть более высокие внутренние силы. Согласно комбинации контрольной нагрузки, размеры северных и южных столбов одинаковы по всей конструкции.
Ключевым компонентом структурной целостности внешней оболочки является двойной трос, проходящий по диагонали через купол, чтобы избежать любой плоскостной алмазной деформации купола. Структурная конструкция разрабатывается, анализируется и оптимизируется итеративным образом с использованием различных значений предварительного напряжения троса, чтобы гарантировать идеальную настройку конструкции. Одной из проблем предварительного напряжения является обеспечение достаточного предварительного напряжения во всех тросах после завершения всех этапов строительства, поскольку если первоначальное натяжение тросов выполняется, когда конструкция все еще находится на лесах.
Хотя проект находится в Калифорнии, сейсмическое ускорение менее важно из-за базовой изоляционной конструкции всей сферы купола. Структурная конструкция легких стальных сетчатых оболочек обычно наиболее чувствительна к воздействию ветра. Поэтому оболочка была испытана в ветровой лаборатории, а результаты использовались для структурного анализа. С точки зрения собственного веса анализ отдельных масс показывает, что вес стекла значительно выше, чем у стальных конструкций. Это в основном связано с толстой стеклянной пластиной. Конструкция стеклянной панели должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать обслуживающий персонал.
При использовании теоретического анализа третьего порядка в программном обеспечении для структурного анализа SOFiSTiK инженеры Knippers Helbig обнаружили, что оболочка в целом очень жесткая, но большие отверстия, обращенные к северу и югу оболочки, создавали наибольший прогиб и напряжение. При внедрении в России Когда инженер Владимир Шухов (1853-1939) назвал диагональную систему опоры внутренней, прогиб и напряжение в двух отверстиях можно было полностью контролировать.
При соединении с железобетонным куполом необходимо компенсировать допуск конструкции и долгосрочный прогиб бетонной сферы. Бетонный купол был спроектирован другой инженерной группой и выполнен другим подрядчиком. Поэтому KH и Gartner, специализированный подрядчик по стеклянным куполам, разработали деталь соединения, которую можно регулировать по всем осям. На месте исполнительные исследования показали, что железобетонный купол сдвинулся намного дальше, чем изначально ожидал инженер по строительству фундамента. Поэтому инженеры KH и Josef Gartner скорректировали глобальное положение стеклянного купола, чтобы оно соответствовало движению железобетонного купола.
С точки зрения силы, встроенные детали должны быть достаточно прочными, чтобы передавать сжимающие и растягивающие силы опорной колонны. Из-за строгой ориентации колонн с востока на запад геометрическая компоновка купола создает много разных углов, некоторые из вставок обращены на север и юг купола, где сферическая геометрия создает острые углы, большое количество сдвигающего усилия также должно быть зафиксировано прочными срезными болтами на куполе. Кроме того, диагональные опорные распорки сжатия и боковые опорные стержни создают эту тангенциальную силу.
За исключением соединения с куполом, остальная часть конструкции почти не нуждается в регулировке допусков. Типичное соединение непрерывной арки с соединительной колонной изготовлено точно, поэтому его можно идеально установить на месте. Два болта, соединяющие стойку с аркой, в основном передают осевое усилие и изгибающий момент вне плоскости, поскольку диагональное перекрестное крепление предотвращает любое ромбовидное искажение, тем самым минимизируя вращение в плоскости и изгиб соединения стойки.
При соединении с аркой две пластины ребер охватывают круглую HSS и действуют как ребра жесткости. Не только сила от двух столбов вводится в круглую HSS, но и значительная сила от столба не только поддерживает Т-образную подструктуру стекла, но и действует как анкер для поперечного поддерживающего троса через зажим троса.
Колонна спроектирована так, чтобы иметь определенную степень свободы, поэтому она ограничивает усилие, передаваемое от стеклянной подструктуры к основной конструкции (цель состоит в том, чтобы вторичная конструкция не вносила вклад в общую структурную систему), и она также регулируется (вверх и вниз), чтобы находиться на плоскости Точное позиционирование держателя стекла во внешнем направлении.
Архитектурная цель заключается в проектировании прозрачной и легкой стеклянной системы поверх слоя стальной конструкции. Плоская стеклянная панель с черепицей поддерживается стальным Т-образным профилем шириной 60 мм, изогнутым в направлении восток-запад; это означает, что стекло в основном поддерживается с двух сторон.
Вертикальный штифт между структурным стальным слоем и стеклянной рамой спроектирован для учета допусков, перпендикулярных поверхности стекла, с внутренней резьбой. На плоскости стекла стеклянная система спроектирована для нулевого допуска. Это достигается путем предварительного изготовления стальной оболочки и стеклянной системы в трапециевидной раме и проверки геометрии с помощью шаблона в процессе изготовления и установки.
Система остекления спроектирована с окклюзией рамы 15 мм, что требует тщательного исследования и ограничения всех типов структурных перемещений, особенно эффекта ромбовидной деформации. Состав стекла состоит из двух 12-миллиметровых стеклянных пластин с низким содержанием железа и промежуточного слоя Saflex DG41. Только одна из двух стеклянных пластин имеет статическую опору, что означает, что внешняя стеклянная пластина поддерживается только промежуточным слоем. Все ламинированные стеклянные панели имеют ступеньки на нижнем крае для обеспечения скрытой статической нагрузки.
Поскольку зданиям требуются высокопрозрачные стеклянные окна, следует избегать использования солнцезащитных покрытий. Для достижения высокого комфорта (температуры) на террасе под стеклянным окном в систему интегрированы рулонные шторы и управляемые вентиляционные отверстия.
Требования к обслуживанию стекла, такие как очистка окон, требуют специального решения, чтобы рабочие могли получить доступ ко всей поверхности купола. Большую часть внутренней поверхности купола можно легко очистить с помощью традиционных платформ для обслуживания и ручных подъемников, в то время как часть внутреннего купола, которая перекрывается с бетонными куполами на восточной и западной сторонах и всей внешней поверхностью стекла, требует альтернативного метода.
Решение было разработано в тесном сотрудничестве с проектной группой и консультантами по обслуживанию. Это внутренний проход, проходящий между стеклом и сборным бетоном купола, а снаружи — лестница для обслуживания, ведущая к вершине купола. Лестница стала одной из главных конструктивных особенностей купола. Персонал может использовать специальные анкерные болты для персонала для крепления с верхней платформы лестницы. С помощью дополнительных функций рабочие могут добраться до каждого угла стеклянной поверхности.
14-миллиметровая окклюзия рамы и система поддержки статической нагрузки стеклянной пластины обычно должны быть подтверждены некоторыми испытаниями на полке. Структурный анализ прогнозирует, что в худшем случае искажение в направлении север-юг составляет 27,1 мм, а искажение в направлении восток-запад составляет 8,4 мм.
Модель, состоящая из 4 стеклянных панелей, фактические детали установлены на гибкой подрамнике и скручены в двух направлениях гидравлическими домкратами. Искажение увеличивается до 70 мм с шагом 5 мм в обоих направлениях. В результате не было обнаружено никаких дефектов в максимальном диапазоне. Искажение в 2,5 раза больше, чем прогнозировалось в структурном анализе.
Поскольку стеклянная пластина в основном поддерживается только с двух сторон, а стекло должно быть спроектировано так, чтобы его было легко обслуживать и чистить, был выбран стандарт проектирования, аналогичный тому, который описан в ASTM E 2751. Анализ стекла показывает, что некоторые условия нагрузки близки к предельным; поэтому была создана еще одна небольшая модель для имитации наихудших условий нагрузки при обслуживании.
Представительная стеклянная панель, состоящая из стекла HS 2*12 мм и сэндвича DG41 1,52 мм, устанавливается на подрамник с реальными деталями проекта; температура поднимается до 50 °C и остается на этом уровне в течение всего испытания. Приложите нагрузку в самом критическом положении поверхности площадью 4 квадратных дюйма; увеличьте нагрузку с 50 фунтов до 300 фунтов и удерживайте в течение 10 минут.
Если не обнаружено никаких отказов, повторите испытание a) поломка верхней стеклянной пластины и b) поломка верхней стеклянной пластины и поломка нижней стеклянной пластины. Таким образом, трещины стекла в основном не оказывают очевидного влияния на эксплуатационные характеристики стекла; не обнаружено больших прогибов и т. д. Когда все испытания прошли, нагрузка была дополнительно увеличена до 825 фунтов — когда тяжелый предмет упал и серьезно повредил стекло. Однако было обнаружено, что тяжелые предметы не упали со стекла и никакие вредные части стекла не выпали из ламината.
Диагональные двойные тросы купольной конструкции зажимаются каждый раз, когда они проходят через узлы основной купольной конструкции. Каждая часть троса будет равномерно предварительно натянута во время установки, но как только леса будут ослаблены, особенно в условиях ветра, часть геометрии купола деформируется в ромбовидную форму, как описано в предыдущем разделе.
Диагональные двойные тросы, которые противодействуют этому ромбическому скручиванию, будут нести большее осевое натяжение в области купола, где структурная деформация наибольшая. Это создает постоянно меняющееся усилие троса от одной части к другой. Дифференциальное значение натяжения переносится зажимом троса. Поэтому крепление является важной частью структурной системы.
Зажим троса работает по механическому принципу трения. Давление на зажим троса создается двумя предварительно натянутыми болтами M12. Сила предварительной затяжки болта и коэффициент трения являются основными факторами для достижения высокопроизводительных креплений. Поскольку значение трения не может быть точно определено с помощью теоретического анализа, необходимо провести испытания для подтверждения значения трения в каждой конкретной ситуации применения. Коэффициент трения кабельного зажима можно улучшить, учитывая определенные правила при проектировании и изготовлении зажима.
Кроме того, необходимо учитывать факторы проектирования для сохранения структурной целостности кабеля при приложении давления. Выемки с обеих сторон зажима позволяют направлять кабель во время сборки и использования. Выемка из стали является наиболее важной частью и требует особого внимания, поскольку давление должно быть приложено к кабелю распределенным образом. Это позволяет избежать повреждения конструкции кабеля из-за высокого локального давления.
Диаметр выемки из стали должен быть точным до 0,1 мм. Кроме того, начальная и конечная точки выемки из стали имеют так называемый «раструб», а диаметр выемки расширяется в спиральной форме, чтобы обеспечить плавный переход от зажима (тем самым уменьшая диаметр кабеля) к незажимной области кабеля. Зажим проходит Детали из высокопрочной стали, сформированные методом штамповки.
После изготовления зажимное приспособление получает цинковое покрытие на выемке из стали и типичное покрытие на остальной поверхности. С одной стороны, цинк создает шероховатую поверхность. С другой стороны, кабель защищен относительно мягким слоем цинка и оставит видимые следы на цинковом покрытии при предварительном напряжении.
Во время испытания кабель фиксируется на обоих концах испытательного оборудования и удерживается на месте. Зажим подсоединяется к двойному кабелю и после предварительного натяжения будет тянуться гидравлическим цилиндром. Испытание проводится в процедуре с контролируемым усилием, прикладывая усилие итеративным образом, включая время ожидания, пока можно будет контролировать внезапное скольжение зажима кабеля.
Permasteelisa North America / Josef Gartner (JG) — профессиональный подрядчик по навесным стенам для этого проекта. Проект Renzo Piano Building Workshop и Knippers Helbig был дополнительно оптимизирован и скорректирован в сотрудничестве с JG. Благодаря тесному сотрудничеству команда смогла избежать первоначального повышения предполагаемой стоимости с минимальными изменениями, сохранив при этом архитектурный замысел и улучшив техническую концепцию конструкции.
Одной из основных целей в процессе производства является соблюдение строгих требований к допускам глобальной конструкции. Конструкция собирается на шаблоне, который представляет собой часть купола в магазине. Это гарантирует, что сборка точно создает окончательную геометрию при сборке на месте. Эти детали изготавливаются с использованием различных технологий, в основном путем традиционной сварки плоских стальных пластин, некоторые из них изготавливаются с помощью фрезерования с ЧПУ, а некоторые детали изготавливаются с помощью штамповки, например, кабельные зажимы или детали концевой арматуры кабеля.
На месте стальные детали прибывают в так называемой трапециевидной раме, что означает, что две параллельные арки были предварительно собраны, включая соединение северной и южной опор и вторичную стальную конструкцию. Это упрощает транспортировку, обработку и установку. После размещения основной конструкции (и дополнительной вторичной рамы) на лесах различные части соединяются с помощью внутреннего предварительно напряженного соединения в арке и типичного болтового соединения северной и южной опор.
Остальные элементы структурной системы, диагональные двойные тросы, установлены и полностью предварительно натянуты. После соединения каркаса лестницы и соединения конструкции с соединением установленных закладных деталей и, наконец, проверки силы предварительного натяжения троса, осторожно снимите опорную колонну лесов, чтобы конструкция могла свободно растягиваться.
Гранитное стекло устанавливается в определенном порядке, тщательно уравновешивая дополнительный вес и избегая неравномерной нагрузки. Вес стеклянных панелей добавляет наибольший вес конструкции, которая намного тяжелее самой опорной стальной конструкции.
После завершения строительства летом 2019 года сферический купол из стали и стекла Музея кино Академии станет ядром долгожданного музея на бульваре Уилшир и одним из самых впечатляющих примеров световых зданий в Соединенных Штатах.
Автор хотел бы поблагодарить ключевых людей, которые внесли свой вклад в эту статью: Renzo Piano Building Workshop: Марк Кэррол, Луиджи Приано, Дэниел Хаммерман, Gensler: Дэвид Пакшонг, Ричард Стоунер Knippers Helbig: Торстен Хельбиг, Тимо Филдхут, Стивен Болл Josef Gartner: Стефан Циммерман, Феликс Шмитт, Тобиас Борн, Роб Сандерс Transsolar: Маттиас Шулер Paratus Group: Энди Клеммер, Антонио Домингес, Райан Келли
Manisa Oriented Strand Board IV. Kısım Keçiliköy OSB Mah. Metin Ersan Cad. Номер: 13 МАНИСА/ТУРЦИЯ45140 МАНИСА/МанисаТурция