Space Frame – rakenteiden edut ja versiot

Yleiskatsaus

Useimmiten rakennesuunnittelussa ja/tai arkkitehtuurissa käytetty avaruusrunko (jota kutsutaan myös 3D-ristikoksi tai avaruusrakenteeksi) on jäykkä rakenne, joka koostuu useista geometrisesti toisiinsa liitetyistä tukijaloista.

Yksi avaruusrakenteen suurimmista eduista on sen lujuus, jonka ansiosta voidaan luoda suuria alueita, joissa on vain vähän tai ei lainkaan sisäisiä tukirakenteita – teollisuusrakennuksia, stadioneita, lentokenttiä ja niin edelleen. Tämä on mahdollista avaruusrakenteen luontaisen jäykkyyden ansiosta – se muistuttaa tässä suhteessa hieman tavallista ristikkoa, koska painon aiheuttama paine välittyy kunkin jousen koko pituudelle.

Tyypillisin käyttökohde avaruusrungolle on jäykkyysmatriisi – avaruusrunkoelementtien laskennallinen verkko (yleensä – pyramidin muotoinen), ja ne rakennetaan yleensä joko teräsputkista tai alumiinista. Teknisesti ottaen tällaista rakennetta voidaan kutsua isotrooppiseksi vektorimatriisiksi, ja sitä voidaan myös muuttaa monin eri tavoin – muuttamalla jousien pituutta voidaan tuottaa muita geometrisia elementtejä rakenteeksi.

Tilakehysten tyypit

Tilakehysrakenteiden luokitteluun voidaan käyttää useita eri järjestelmiä. Tässä on esimerkiksi tilakehystyyppien luokittelu elementtien järjestysjärjestyksen mukaan:

• Kolmikerroksinen verkko. Tilakehyselementtejä on kolme kerrosta, ja kaikki kolme ovat samansuuntaisia keskenään. Ne on liitetty toisiinsa diagonaalipalkeilla, ja rakenteet kokonaisuudessaan ovat suurimman osan ajasta tasaisia.
• Kaksikerroksinen verkko. Kaksi kerrosta elementtejä, jotka ovat samansuuntaisia keskenään ja jotka on yhdistetty lävistäjillä.
• Yksikerroksinen verkko. Yksi kerros elementtejä, jotka sijaitsevat rakenteen pinnalla.

Toisaalta on olemassa myös vähemmän tekninen luokittelu, jossa avaruuden kehysrakenteet luokitellaan siten, että kokonaisrakenne on erotteleva metriikka. Näin ollen meillä on kolme pääasiallista avaruuskehystyyppiä:

• Pallomaiset kupolit (ja muita monimutkaisempia muotoja). Vaatii yleensä melko paljon tukea joko rakenteen ulkopuolelta tai käyttämällä pyramidin tai tetraedrin muotoisia moduuleja itse rakenteessa.
• Tynnyriholvit. Tyypillisesti se ei vaadi minkäänlaista lisätukea, kuten edellä on kuvattu, mutta siinä on poikkileikkaus sisäpuolisen tuen välineenä.
• Tilatason kattorakenteet. Rakenne, joka koostuu useista tasomaisista alarakenteista. Koko rakenne on tuettu diagonaalien varaan ja paino on jaettu vaakapalkkien varaan.

On olemassa myös useita muita rakennetyyppejä, jotka voidaan luokitella avaruusrungoiksi mutta jotka eivät kuulu mihinkään edellä mainituista luokista. Joitakin tällaisia rakennetyyppejä ovat esimerkiksi riippuvat kannet, pliseeratut metallirakenteet, pneumaattiset rakenteet ja niin edelleen.

Avaruusrunkojen komponentit ja käyttötapaukset

Klassinen tilakehysrakenne koostuu yleensä useista eri elementeistä sen tyypistä riippuen. Avaruusrunkorakenteen tärkeimmät osat ovat aksiaalijalkoja eli putkia. Näissä putkissa voi olla myös onttoja osia, joita käytetään putkien yhdistämiseen toisiinsa.

On myös liitoksia eli liittimiä, joiden avulla avaruusrunkorakenne muodostetaan yksittäisistä elementeistä. Liitintyyppejä on neljä päätyyppiä – puolipallonmuotoinen kupu, putkisolmu, kolmoissolmu ja nodus.

Vaikka niitä ei käytetä ja suosittu yhtä laajasti kuin tavallisia teräsrunkoja, avaruusrunkorakenteilla on silti paljon erilaisia käyttötapauksia (lähinnä suurissa rakennuksissa, joissa ei ole pilareita sisällä), esim:

• Museot;
• Atriums;
• Tehtaat;
• Varastot;
• Ostoskeskukset;
• Konferenssisalit;
• Stadionit;
• Auditoriot;
• Uima-altaat;
• Lentoasemat, jne.

Ja jos puhumme todellisista esimerkkitapauksista avaruusrunkorakenteista, tässä on joitakin, mutta ei todellakaan kaikkia:

• Eden Project – Cornwall, Englanti
• Sotšin kansainvälinen lentoasema – Sotši, Venäjä
• McCormick Place East – Chicago, Yhdysvallat
• Arena das Dunas – Natal, Brasilia
• Palau Sant Jordi – Barcelona, Espanja
• Heydar Aliyev Centre – Baku, Azerbaidžan

Avaruuskehysten edut ja ongelmat

Rakennetyyppinä tilakehykset ovat yllättävän tehokkaita omalla kapealla alueellaan, sillä ne tarjoavat useita erilaisia etuja, kuten:

• Relatively low weight;
• Koska tilakehyselementit ovat helposti pinottavissa, tämän rakennetyypin kuljetuskustannukset ovat melko alhaiset ja koko kuljetusprosessi on suhteellisen helppo;
• Se on luultavasti sopivin runkotyyppi rakenteisiin, joiden rakenne on epänormaalin tai epätavallisen muotoine;
• Koko rakenteella on myös suurin seismisyys muihin runkotyyppeihin verrattuna;
• Koko rakenteen paino jakautuu tasaisesti, joten tällaisissa rakenteissa ei yleensä ole yksittäistä heikkoa kohtaa;
• Se on suositeltavin rakennetyyppi useimmille suurille rakennuksille, kuten olemme jo aiemmin maininneet;
• Se tarjoaa ennennäkemättömän mahdollisuuden kattaa paljon maata yhdellä rakenteella ilman sisäistä tukea ja suhteellisen matalalla korkeudella;
• Esivalmistus ja tilakehyksen kokonaisvaltainen luonne helpottavat asennusta, kun kaikki elementit ovat paikan päällä.

Olisi kuitenkin paikallaan mainita myös joitakin haittoja, joita avaruusrunkorakenteiden käyttöön liittyy – merkittävimmät niistä ovat seuraavat:

• Avaruusrunkorakenteiden kokoamisessa vaadittava tarkkuus on melko korkea, ja joskus tarvitaan erikoiskoneita, kuten raskaita nostureita, jotta ne voidaan suorittaa täydellisesti;
• On olemassa raja sille, kuinka korkealle avaruusrunkorakenne voi nousta ilman asianmukaista raudoitusta ja ulkoista tukea, ja jopa teräsbetonin olemassaolo perustasona rajoittaa rakenteen korkeutta 40 jalan verran, kun kyse on avaruusrungoista.

Päätelmä

Vaikka avaruusrunko ei ole erityisen uusi versio rakennuksen rakenteesta, sillä on omat käyttötapauksensa ja monia etuja. On totta, että on vaikea kuvitella, että tilakehyksiä käytettäisiin johonkin arkipäiväisempään, kuten asuinrakennukseen, mutta se on myös yksi tilakehysten suurimmista eduista kokonaisuutena – arkkitehtien suurempi vapaus luovaan ajattelun ja taiteellisen ilmaisun suhteen.

Se, että ne on melko helppo valmistaa, on myös suuri etu – ja Levstalin kaltaisilta yrityksiltä voit saada tilakehyselementtejä sekä pienissä että suurissa erissä, sillä Levstalin valmistuskapasiteetti on melko korkea, ja tähän kaikkeen yhdistyvät huippuluokan koneet putkien, liitosten ja niin edelleen massatuotantoa varten.