Kształtowanie powłok z blach fałdowych

Poszukiwanie atrakcyjnych form obiektów budowlanych obejmuje również formy powłokowe. Łatwe do uzyskania powłoki walcowe są już powszechnie stosowane. Natomiast inne formy powłokowe prawie nie występują. Tymczasem bliższa analiza wskazuje, że istnieją niewykorzystane możliwości kształtowania powłok o bardzo zróżnicowanych postaciach geometrycznych. Odpowiednim materiałem są blachy fałdowe.

Na podstawie przeprowadzonych badań najważniejsze założenia nowego podejścia opracował Adam Reichhart i zastosował w zrealizowanym w połowie 1993 roku przekryciu obudowy urządzeń na dachu silosu. Uzyskana znaczna krzywizna powłoki wskazuje na duże możliwości stosowania powłok z blach fałdowych.
Z fałdowej budowy arkuszy, cechującej się wzajemnym usztywnieniem poprzecznym sąsiednich ścianek wynika, że kształtowana z nich powłoka jest prostoliniowa i tworzy układ powłokowo ukształtowanych arkuszy. Poszczególne arkusze mogą być skręcone lub zgięte w inny sposób i w różnym stopniu. W zależności od kąta skręcenia lub zgięcia zmienia się szerokość arkusza. Z zadawalającym technicznie przybliżeniem można przyjąć, że modelem pojedynczego arkusza w powłoce jest środkowy wycinek paraboloidy hiperbolicznej prostokątnej określony miarowo przez długość l arkusza, kąt skręcenia a i jego najmniejszą szerokość b_m. Szerokość bm zależy od kąta skręcenia arkusza, jego sztywności, kształtu profilu i szerokości początkowej.
Ze zmienności wymiarów arkusza wynika, że powszechne postępowanie przy kształtowaniu powłoki, polegające na wybraniu jej postaci i dostosowaniu materiału do założonego kształtu, nie jest możliwe. Wyjściem z tej sytuacji było opracowanie nowej metody kształtowania prostoliniowej powłoki, polegające na wyszukiwaniu formy spośród możliwych do ukształtowania z arkuszy blach fałdowych. Metoda ta sprowadza się do: obrania kierownic e, f powierzchni (dowolnych linii płaskich lub przestrzennych) oraz tworzącej początkowej t₀ i do zastosowania warunku, precyzującego położenie kolejnych tworzących w zależności od zmiany szerokości bm arkusza przy skręcaniu. Ukształtowanie powłoki następuje przez szukanie tworzących powłoki odpowiadających brzegom arkuszy za pomocą opracowanego programu komputerowego.

Z tego, że przedstawiona metoda obejmuje wszystkie rodzaje i wielkości deformacji każdego typu płaskich arkuszy blach fałdowych, a kierownice są obierane dowolnie wynika, że pozwala ona na ukształtowanie każdej powłoki prostoliniowej możliwej do wykonania z płaskich arkuszy blach fałdowych. W procedurze projektowania przekrycia powłokowego należy na wstępie przyjąć kształt przekrycia obiektu przez obranie dwóch kierownic e, f i początkowej tworzącej t_o oraz typu arkuszy blach fałdowych. Pozwala to na wystarczające w tej fazie wyobrażenie sobie bryły obiektu. Akceptacja założonej bryły jest punktem wyjścia do kształtowania architektonicznego i konstrukcyjnego obiektu. Wybór typu arkuszy wykonuje się z warunku ich wytrzymałości lub sztywności na zginanie, podobnie jak w dachach płaskich. Z wybraniem typu arkuszy wiąże się rozstaw płatwi, zależny od wysokości profilu blachy. Dokonanie powyższych ustaleń pozwala już w fazie koncepcji na precyzyjne zweryfikowanie założonej formy konstrukcyjnej i architektonicznej. Mianowicie, po dokładnym ukształtowaniu geometrycznym powłoki program umożliwia ustalenie jej wymiarów, wprowadzenie linii podparcia blachy i osi prętów podpierających, a także wyznaczenie przekrojów powłoki i innych linii konstrukcyjnych - następuje przyjęcie koncepcji konstrukcji powłoki. Pozwala to na wstępne rozwiązanie szczegółów architektonicznych i ogólnej postaci obiektu oraz na ocenę zgodności bryły z założoną funkcją - następuje przyjęcie koncepcji formy powłoki.

Gdy koncepcja architektoniczna i konstrukcyjna zostanie zaakceptowana przez konstruktora i architekta dalsze prace nad powłoką mogą być kontynuowane niezależnie. Formy przekryć obiektów budowlanych można podzielić na jedno- i wielopowłokowe. Zastosowanie jednopowłokowego dachu wyróżnia obiekt architektonicznie, integrując równocześnie całą bryłę. Przekrycia wielopowłokowe cechują się stosowaniem wielu małych form powłokowych w sekwencjach logicznych funkcjonalnie i konstrukcyjnie. Powłoki z blach fałdowych mogą być stosowane w szerszym zakresie niż tylko jako mniej lub bardziej wyniosłe przekrycia, na przykład w swobodnie ukształtowanej formie przestrzennej jako przekrycie i obudowa ścienna. Przy kształtowaniu powłok z długich arkuszy należy mieć świadomość ograniczeń transportowych, zmniejszających długość arkuszy do niewiele ponad 20 m. Istnieje jednak możliwość zastosowania styków podłużnych. Należy jedynie dostosować deformację arkuszy po obu stronach styków podłużnych do postaci modelu geometrycznego pojedynczego, długiego arkusza. Możliwe jest również wprowadzanie otworów, na przykład pasm przeszklonych w miejscu arkuszy lub ich części. Wykonanie przekrycia podczas montażu wiąże się z deformowaniem sprężystym kolejnych arkuszy, łatwym do zrealizowania, lecz możliwym w różnym zakresie. Technologia montażu, ze względu na zmienność wymiarów arkuszy w powłoce, musi konsekwentnie uwzględniać postępowanie przyjęte w metodzie kształtowania.
Przedstawione zastosowania i projekty nowych form powłokowych z blach fałdowych ilustrują możliwości konstrukcyjne stosowania powłokowych przekryć prostoliniowych o praktycznie dowolnych kształtach. Podstawowe zagadnienia, dotyczące kształtowania geometrycznego oraz analizy i kształtowania konstrukcji zostały rozwiązane i zweryfikowane dzięki badaniom zrealizowanych obiektów.
Przyszły zakres i sposób wykorzystania opisanych możliwości zależy przede wszystkim od inwencji twórczej architektów.