Konstrukcje tensegrity w naturze - przykłady oraz możliwości zastosowania w architekturze

Abstract

Konstrukcje te to konstrukcje złożone z prętów ściskanych i rozciąganych cięgien, w których pojedyncze elementy ściskane są połączone wyłącznie z elementami rozciąganymi. Całość tej struktury opiera się na prostych układach bryłowych. W pracy tej przedstawiamy krótką charakterystykę tych niesamowitych konstrukcji, pokazujemy ich powiązania z budową atomu, komórki, opisujemy teorię samoskładania. Poszukujemy odpowiedzi na pytanie, jak działają siły w obrębie komórki, w skali mikrokosmosu oraz w skali makrokosmosu. Rozważamy, jakie rządzą nimi prawa i próbujemy odpowiedzieć na pytanie, jak tę wiedzę można wykorzystać w projektowaniu. Tworząc bryłowe modele niektórych struktur staramy się wyjaśnić zasady działania sił w tego typu konstrukcjach oraz badamy problemy, z jakimi muszą uporać się projektanci i konstruktorzy pragnący stosować tego typu struktury. Opisujemy również pomysły i projekty wykorzystania tych fascynujących konstrukcji w architekturze, ponieważ dotąd nie znalazły one zastosowania.

Praca jest kontynuacją badań na temat konstrukcji tensegity, których pierwsza część została zaprezentowana w kwietniu 2004 roku na IV Krajowym Seminarium Kół Naukowych w Gdańsku. W poniższym opracowaniu w skrócony sposób opisano zagadnienia z części pierwszej, jako wstęp do omawianych nowych zagadnień.
Autorzy: Anna Drozd, Magdalena Górska Łukasz Wróblewska

1. TENSEGRITY

1.1. HISTORIA, ZASADA DZIAŁANIA (WIADOMOŚCI OGóLNE)


Konstrukcje typu TENSEGRITY to konstrukcje złożone z prostych prętów i cięgien. Pręty są wyłącznie ściskane, a cięgna wyłącznie rozciągane. Pręty w żadnym miejscu się nie łączą, są w przestrzeni powiązane jedynie za pomocą cięgien. Siły rozciągające w takich konstrukcjach są przenoszone po najkrótszych możliwych drogach, dzięki temu konstrukcje tensegralne wykorzystują maksymalnie wytrzymałość danego materiału, przy jego minimalnym zużyciu. Konstrukcje oparte na zasadzie tensegralności zachowują mechaniczną stabilność dzięki wstępnemu napięciu struktury. Nie jest to jednak spowodowane wytrzymałością poszczególnych składników, ale ich powiązaniami, w których mechaniczne naprężenia równomiernie są rozdzielone i zrównoważone w całym układzie. W skutek tego siły w konstrukcjach tensegrity są w ciągły sposób przenoszone przez wszystkie ich elementy budulcowe. Ogólny przyrost naprężeń rozciągających w cięgnach jest równoważony przyrostem naprężeń ściskających w elementach sztywnych (prętach). W ten sposób struktura ulega samo stabilizacji.

W 1948 roku, artysta Kenneth Snelson po raz pierwszy zaprezentował samonośną strukturę prętowo-cięgnową (tensegrity), której zasada działania widoczna jest w tworach natury. Samego słowa „tensegrity” (skrót od pojęcia "tensional integrity"), po raz pierwszy użył konstruktor Buckminster Fuller, który również opracował patent struktury tego typu. Mimo, że za początek właściwej konstrukcji tensegralnej uważa się samo odkrycie Snelsona, to jeszcze przed nim Fuller wiele razy stosował elementy o cechach tensegrity w swoich projektach i w pracy badawczej, i to właśnie jego opracowania stały się inspiracją dla przyszłych osiągnięć Snelsona.

1.2. NIEWIDOCZNA ARCHITEKTURA, OD NAJMNIEJS1ZEJ SKALI - CZYLI SAMOSKŁADANIE

Teoria samoskładania wyprowadzona przez Donald’a E. Ingber’a opiera się na tezie wg, której cała materia podlega tym samym prawom fizyki i tym samym ograniczeniom przestrzennym bez względu na skalę. Zasada ta ma dotyczyć zarówno sposobu łączenia się cząsteczek organicznych w organella, komórek w tkanki, oraz powstawania i łączenia się atomów w związki chemiczne. Naukowcy na podstawie wielu doświadczeń wyprowadzili tezę wg, której w procesie ewolucji natura wybrała najprostszy i najbardziej wydajny sposób budowania wszelkiej materii, jakim jest właśnie tensegrity.

1.2.1 TEORIA BUDOWY ATOMU

Kenneth Snelson opracował własny model tensegralnej budowy atomu). Wyprowadził hipotezę wg, której orbita elektronu o właściwościach zarówno materii jak i fali ma tę własność, że zajmuje na wyłączność określoną przestrzeń. Oznacza to, że cała droga, jaką przebywa elektron może naciskać i ograniczać przestrzeń innych elektronów wewnątrz atomu tak, jak dzieje się to w relacji między całymi atomami. Wychodząc z tego założenia można zacząć rozumieć atom jako elektromagnetyczny i mechaniczny obiekt, w którym całość jest stabilizowana poprzez równowagę sił wzajemnego przyciągania i odpychania (tensional integrity) się orbit elektronowych i jądra atomu. Oczywiście teoria ta jest jedynie nie udowodnioną do tej pory próbą opisania pewnych dotąd jeszcze niewytłumaczonych zjawisk. Jednak cechy takiego obrazu atomu są bliskie tym, których byśmy oczekiwali od niego, jako działającego obiektu o wszystkich tych niesamowitych właściwościach, jakie rzeczywisty atom posiada.



1.2.2. KOMóRKA

Dzięki nowym technikom badawczym, około 40 lat temu, naukowcy stworzyli nowy, bardziej poprawny model komórki - eukariotyczny. Model ten składa się z cytoszkieletu i zawieszonych na nim struktur. Mimo wzrastającej wiedzy wiele zachowań i mechanizmów działania komórek zostało nie wyjaśnionych. I w tym właśnie miejscu pojawiła się teoria komórki jako konstrukcji dynamicznej tensegrity, która w prosty sposób próbuje wyjaśnić pewne zagadkowe mechanizmy. Zachowanie się tak przyjętego modelu tensegralnego komórki wykazuje w dużym stopniu zgodność z mechanizmami obserwowanymi na próbkach żywych komórek. Naukowcy postawili tezę, że komórka ma konstrukcje tensegralną. Interpretacji tej po raz pierwszy dokonał w latach 80 dwudziestego wieku Donald Ingber, harwardzki profesor, doktor biologii molekularnej oraz medycyny. Cytoszkielet to sieć białkowych włókien i rurek, która tworzy rusztowanie komórek eukariotycznych. Szkielet komórki wcale nie jest sztywny, tylko elastyczny - potrafi się szybko przebudowywać zgodnie z potrzebami komórki. Składa się z trzech głównych elementów, które Ingber następująco zinterpretował:
- mikrotubule, działają jako elementy nośne, jak pręty w konstrukcjach Snelsona, przenosząc naprężenia ściskające (czasami jako elementy ściskane mogą działać pęczki usieciowionych mikrofilamentów)
- mikrofilamenty (mikrowłókienka), najważniejsze elementy cytoszkieletu, pracują na rozciąganie i tym samym ciągną błonę komórkową i wewnętrzne składniki komórki w stronę jądra.
- natomiast pośrednie filamenty to struktury integrujące, łączące mikrotubule z mikrofilamentami kurczliwymi, jak i łączące je z błoną i jądrem komórkowym. Wszystkie te trzy elementy pracują razem, by ochronić komórkę przed załamywaniem, warunkują kształt komórki i utrzymują jądro na swoim miejscu. Ingber ponadto przewidział, że zasady działania takiej struktury muszą zależeć jeszcze od czwartego czynnika, macierzy zewnątrzkomórkowej

Osoby zainteresowane tą tematyką odsyłamy do naszej wcześniejszej publikacji.

1.3. TWORZENIE MODELI

Tworzenie modeli fizycznych zawsze weryfikuje założenia projektowe, obnaża słabości i uświadamia problemy wykonawcze. Przy tworzeniu modelu trójwymiarowego takiej struktury trzeba przebrnąć przez szereg problemów. Wykonana struktura – wieża (rys.2) składa się z 8 modułów - czterech prawoskrętnych i czterech lewoskrętnych ułożonych naprzemiennie. Każdy z nich składa się z trzech identycznych prętów aluminiowych połączonych odpowiednio stalowymi linkami tak, aby żaden pręt nie łączył się z drugim. Kolejny moduł zmniejszony został o 15% od poprzedniego. Niemalże w każdej strukturze prętowej i prętowo-cięgnowej najtrudniejszym do rozwiązania, i zawsze najdroższym elementem są węzły łączące pręty z cięgnami oraz połączenia poszczególnych modułów. Dodatkowo w konstrukcji tensegralnej występuje problem jednoczesnego utrzymania zaprojektowanej geometrii i wstępnego sprężania modułów oraz całej konstrukcji(co stanowi osobne, skomplikowane zagadnienie) oraz możliwości korekty naprężeń. Wszystko to po to, aby uzyskać stabilną, samonośną strukturę o zoptymalizowanej geometrii i równomiernym rozkładzie sił wewnętrznych.. Po wielu poszukiwaniach i dyskusjach udało się osiągnąć zadowalające efekty. Węzły rozwiązano przy pomocy zacisków oraz śrub stosowanych w elektryce. Problemem było zapewnienie wstępnego sprężenia, możliwości regulowania naciągu i zachowania stateczności modelu.





1.4. MIASTO W CHMURACH

Modelowanie podstawowych i bardziej złożonych struktur uświadamia także problemy i możliwości związane z daną teorią. W przypadku konstrukcji tensegrity podstawą do uzyskania funkcjonalnej i wykonalnej struktury są: moduły i, wbrew pozornemu chaosowi, ściśle zaprojektowana geometria. Zdajemy sobie sprawę z możliwości, jakie oferuje nam zasada działania tensegrity obserwowana już w świecie natury. Trudność sprawia jedynie sprecyzowanie zapotrzebowania, konkretnych rozwiązań i zastosowań.

Dlatego też pokrótce zaprezentujemy jeden z naszych pomysłów na wykorzystanie lekkości, ażurowości, samonośności i optymalizacji konstrukcji tensegrity. Pomysłem jest stworzenie miasta, którego forma i zasada działania konstrukcji opiera się na module tensegrity. W tym projekcie całość miałaby styczność z podłożem tylko za pomocom głęboko osadzonego, jednego ze sztywnych elementów. Elementy odpowiadające prętom podzielone są na poziome jednostki, w których znajdują się segmenty mieszkalne, usługowe, techniczne, rekreacyjne. Konstrukcja, takiego elementu jest smukła i trudna do zaprojektowania w takiej skali. Inspiracją do poszukiwań odpowiedniego rozwiązania może być konstrukcja trzciny. Elementy odpowiadające elementom rozciąganym, zawierają instalacje, chodniki łączące. Do nich podczepione są kolejki linowe, pełniące przede wszystkim rolę komunikacji. W obrębie elementu ściskanego transport odbywa się dzięki szybkim tramwajom prowadzonym po zewnętrznej podłużnej krawędzi struktury.

Dodatkowo podobny moduł, odpowiednio pomniejszony i zawieszony w środku ciężkości całej struktury tworzy w niej system zieleni, tereny rekreacji, do których dojazd również zapewnia kolejka. Cała struktura przez swą ażurowość nie stanowi dużej przeszkody dla prądów powietrznych, choć oczywiście są one jednym z ważniejszych elementów, które należy wziąć pod uwagę projektując tego typu konstrukcje. Tak zaprojektowana jednostka powinna doskonale służyć jako mała baza kolonizacyjna np. na Marsie, lub jako małe miasto, nowoczesny budynek wielorodzinny czy dzielnica na terenach trudnych do skolonizowania np. na oceanie przy punkcie wydobywania ropy. W tym ostatnim przypadku dodatkowo opracowania wymagałyby systemy uzdatniania wody, oczyszczania ścieków, uzyskiwania energii z pływów, itp. Pozwoliłoby to pozostać takiej jednostce niezależną. Pojedynczy moduł projektowanej struktury miałby być osadzony na ziemi na terenach zielonych, najprawdopodobniej wśród lasów, jako niesamowity przykład nowoczesnej architektury, która oszczędza przestrzeń i nie narusza podłoża. Pozostawia nietknięte naturalne środowisko.

Autorzy: Anna Drozd, Magdalena Górska Łukasz Wróblewska

LITERATURA

[1] NOWACKI W., Plasticity of polycrystal, Warszawa, PWN, 1987, 687–704.
[2] INGBER D.E., Architektura Życia, 1, Świat Nauki, marzec 1998.
[3] BRAUN D.H., Logic follows nature, Glas, 4/2003.
[4] Bin-Bin WANG, Cable Strut Systems: Part I-Tensegrity, 1997
[5] CHEN Ch.S., INGBER D.E., Tensegrity and mechanoregulation: from skeleton to cytoskeleton
[6] MOTRO R., Tensarch: A tensegrity double layer grid prototype
[7] LIAPI K.A., A novel portable and collapsible tensegrity unit for the rapid assembly of tensegrity networks
[8] Jenkins S., Does tensegrity make the machine work?, The Scientist Tom 17, Issue 3, 26, Feb. 10, 2003