מבנה מתיחה

ממוזער|שמאל|220px|קונכיית המוזיקה של סידני מאייר  בקינגס דומיין, מלבורן
בהנדסת מבנים, מבנה מתיחה הוא מבנה שרכיביו נושאים רק עומסי מתיחה וללא לחיצה  או כפיפה. אין לבלבל בין המונח "מתיחה" לבין המונח "שלמות מתוחה", שהוא צורה מבנית עם רכיבי מתיחה ולחיצה כאחד. מבני מתיחה הם הסוג הנפוץ ביותר של מבנים בעלי קליפה דקה.

רוב מבני המתיחה נתמכים על ידי צורה כלשהי ברכיבי לחיצה או כפיפה, כגון תרנים (כמו ב-O2 , לשעבר כיפת המילניום ), טבעות לחיצה או קורות.

מבנה יריעות מתיחה  משמש לרוב כגג, מכיוון שהוא יכול לכסות מִפְתָּחים גדולים בצורה כלכלית ואטרקטיבית. מבני יריעות מתיחה עשויים לשמש גם כבניינים שלמים. מספר יישומים נפוצים הם מתקני ספורט, מבני אחסון ואולמות תערוכה.

היסטוריה
צורת בנייה זו נותחה בקפדנות רבה יותר ונפוצה יותר במבנים גדולים רק בחלק האחרון של המאה העשרים. מבני מתיחה משמשים זה מכבר באוהלים, שבהם חבלי העיגון  ומוטות האוהל מספקים כוח מתיחה מקדים לבד ומאפשרים לו לעמוד בעומסים.

המהנדס הרוסי ולדימיר שוחוב היה אחד הראשונים שפיתח חישובים מעשיים למאמצים ולעיבורים של מבני מתיחה, קליפות וממברנות. בשנת 1896 תכנן שוחוב שמונה מבני מתיחה ומבנים בעלי קליפה דקה לביתני תצוגה עבור תערוכת כל-רוסיה 1896 , שהתקיימה בניז'ני נובגורוד. המבנים היו בשטח כולל של 27,000 מטרים רבועים. מבנה מתיחה בשימוש בקנה מידה גדול יותר מכוסה ממברנה הוא קונכיית המוזיקה של סידני מאייר , שנבנתה בשנת 1958.

אנטוני גאודי השתמש ברעיון בצורה הפוכה כדי ליצור מבנה לחיצה בלבד עבור כנסיית קולוניה גואל. הוא יצר דגם מתיחה תלוי של הכנסייה כדי לחשב את כוחות הלחיצה ולקבוע בניסוי את הגאומטריה של העמודים והקמרונות.

המושג זכה מאוחר יותר לאימוץ של האדריכל והמהנדס הגרמני פריי אוטו, שהשימוש הראשון שלו ברעיון היה בבניית הביתן של מערב גרמניה בתערוכה העולמית הבינלאומית של 1967 במונטריאול. אוטו השתמש לאחר מכן ברעיון לגג האצטדיון האולימפי לאולימפיאדת הקיץ 1972 במינכן.

מאז שנות ה-60 של המאה ה-20 קודמו מבני מתיחה על ידי מעצבים ומהנדסים כמו אובה ארופ, בורו האפולד , פריי אוטו, מחמוד בודו ראש , אירו סארינן, הורסט ברגר , מתיו נוביצקי , יורג שליך  ודייוויד גייגר .

התקדמות טכנולוגית מתמדת הגבירה את הפופולריות של מבנים עם גג בד. המשקל הנמוך של החומרים הופך את הבנייה לקלה וזולה יותר מעיצובים סטנדרטיים, במיוחד כאשר יש לכסות שטחים פתוחים עצומים.

סוגי מבנים עם מרכיבי מתיחה משמעותיים
מבנים קוויים
 גשרים תלויים
 גשר כבל מתוח 
 כבלים תלויים
 קורות ומסבכים מעוגני כבלים
 מסבכי כבלים
 כבלים מתוחים ישרים

מבנים דו-ממדיים
 ממברנות דרוכות
 ממברנות פנאומטיות
 קליפות רשת 
 מבני יריעות מתיחה

מנים מרחביים
 גלגלי אופניים (ניתן להשתמש כגג בכיוון אופקי)
 מסבכי כבלים מרחביים
 מבני טנסגריטי

מבני יריעות וכבלים
יריעות
ממוזער|שמאל|220px|גג הפלדה הראשון בעולם וקליפת הפלדה המסורגת ברוטונדת שוחוב , רוסיה, 1895
חומרים נפוצים למבני יריעות מעוקלים כפולים הם פיברגלס מצופה טפלון ופוליאסטר מצופה פוליוויניל כלוריד. אלו חומרים ארוגים בעלי חוזקים שונים בכיוונים שונים. סיבי השְׁתִי (אותם סיבים שהם במקור ישרים - מקבילים לסיבים הראשוניים בנול) יכולים לשאת עומס גדול יותר מאשר סיבי העֵרֶב או המילוי, השזורים בין סיבי השתי.

מבנים אחרים בנויים מיריעות אתילן טטראפלואורואתילן , כשכבה אחת או בצורת כרית (אותה ניתן לנפח, כדי לספק תכונות בידוד טובות או לאפקט אסתטי - כמו באליאנץ ארנה במינכן). ניתן גם לגלף כריות אתילן טטראפלואורואתילן בדוגמאות על מנת לאפשר לרמות שונות של אור לעבור דרכן כאשר הן מתנפחות לרמות שונות.

באור יום, שקיפות קרום הבד מציעה חללים רכים ומפוזרים בתאורה טבעית, בעוד שבלילה ניתן להשתמש בתאורה מלאכותית כדי ליצור הארה חיצונית סביבתית. הם נתמכים לרוב על ידי מסגרת מבנית מכיוון שהם אינם יכולים לספק את כוחם מצורת העקמומיות הכפולה שלהם בלבד.

כבלים
ממוזער|שמאל|220px|גשר תלוי פשוט הפועל כולו במתיחה
כבלים יכולים להיות מפלדה רכה, פלדה בעלת חוזק גבוה (פלדת פחמן משוכה), פלדת אל-חלד, פוליאסטר או סיבי ארמיד. כבלים מבניים עשויים מסדרה של גדילים קטנים המפותלים או קשורים יחד לכדי יצירת כבל גדול בהרבה. כבלי פלדה הם גדיל ספירלי, שבו מוטות עגולים מפותלים יחד ו"מודבקים" באמצעות פולימר, או גדיל סליל נעול, שבו גדילי פלדה בודדים משתלבים ויוצרים את הכבל (לעיתים קרובות עם ליבת גדיל ספירלי).

גדיל ספירלי חלש מעט מגדיל סליל נעול. לכבלים של גדיל ספירלי פלדה יש מודול יאנג, E, של 150±10 קילו-ניוטון למילימטר בריבוע (או 150±10 ג'יגה-פסקל) והם מגיעים בקטרים של 3 עד 90 מילימטרים. גדיל ספירלי דרוך מראש בעומס מתיחה, שבה הגדילים מתכווצים כאשר הכבל מוטרח ומועמס. זה קורה בדרך כלל על ידי מתיחה מוקדמת של הכבל ומחזורי העמסה בכיוון מעלה ומטה בעומה של עד 45% מעומס הכניעה בשל הכבל מתיחה.

לגדיל סליל נעול יש בדרך כלל מודול יאנג של 160±10 קילו-ניוטון למילימטר בריבו והוא מגיע בגדלים מקוטר של 20 עד 160 מילימטרים.

התכונות של הגדילים הבודדים מחומרים שונים מוצגות בטבלה שלהלן, כאשר מאמץ מתיחה (UTS) הוא חוזק המתיחה המקסימלי, או עומס הקריעה:

 חומר הכבל מודול האלסטיות (ג'יגה-פסקל) מאמץ מתיחה מקסימלי (מגה-פסקל) עיבור ב-50% ממאמץ המתיחה המקסימלי מוט פלדה קשיח 210 400–800 0.24% גדיל פלדה 170 1550–1770 1% תיל 112 1550–1770 1.5% סיב פוליאסטר 7.5 910 6% סיב ארמיד 112 2800 2.5%

צורות מבניות
ממוזער|שמאל|220px|מבנה בצורת אוכף. באדום נקודת אוכף
מבנים נתמכי אוויר  הם סוג של מבני מתיחה שבהם מעטפת היריעה נתמכת על ידי לחץ אוויר בלבד.

רוב מבני היריעה שואבים את חוזקם מצורתם הדו-עקמומית. על ידי אילוץ היריעה לקבל עקמומיות כפולה, הבד צובר קשיחות  מספקת כדי לעמוד בעומסים שהוא נתון אליהם (לדוגמה, עומסי רוח ושלג). על מנת ליצור צורה מעוקלת כראוי, לרוב יש צורך למתוח מראש או לדרוך את היריעה או את המבנה התומך שלה.

מציאת צורות
ממוזער|שמאל|220px|פרבולואיד היפרבולי
התנהגותם של מבנים הדרוכים במאמץ-קדם כדי להשיג את חוזקם אינה ליניארית, כך שכל דבר מלבד כבל פשוט מאוד היה קשה מאוד לתכנון עד שנות ה-90 של המאה ה-20. הדרך הנפוצה ביותר לתכנון מבני יריעות דו-עקמומיים הייתה לבנות דגמים בקנה מידה של המבנים הסופיים על מנת להבין את התנהגותם ולבצע תרגילי מציאת צורה. דגמים בקנה מידה זה נבנו לעיתים קרובות בחומר ממנו מכינים גרביים או גרביונים, או בועות סבון מכיוון שהם זולים ומתנהגים בצורה דומה מאוד ליריעות מבניות (הם אינם יכולים לשאת מאמצי גזירה).

לבועות סבון יש מאמץ אחיד בכל כיוון והם דורשים גבול סגור כדי להיווצר. הם יוצרים באופן טבעי משטח מינימלי - צורה עם שטח מינימלי ומגלמים אנרגיה מינימלית. עם זאת, קשה מאוד למדוד אותם. עבור בועה גדולה, משקלה יכול להשפיע באופן משמעותי על צורתה.

גלריה של מבני מתיחה בולטים

ראו גם
 באקמינסטר פולר
 עקמומיות גאוס
 כיפה גאודזית
 מסילה גאודזית
 גשר תלוי
 עוצמתיחות

לקריאה נוספת
 "The Nijni-Novgorod exhibition: Water tower, room under construction, springing of 91 feet span", "The Engineer", № 19.3.1897, P.292-294, London, 1897.
 Horst Berger, Light structures, structures of light: The art and engineering of tensile architecture (Birkhäuser Verlag, 1996) 
 Alan Holgate, The Art of Structural Engineering: The Work of Jorg Schlaich and his Team (Books Britain, 1996) 
 Elizabeth Cooper English: "Arkhitektura i mnimosti": The origins of Soviet avant-garde rationalist architecture in the Russian mystical-philosophical and mathematical intellectual tradition", a dissertation in architecture, 264 p., University of Pennsylvania, 2000.
 "Vladimir G. Suchov 1853–1939. Die Kunst der sparsamen Konstruktion.", Rainer Graefe, Jos Tomlow und andere, 192 S., Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 1990, .
 Conrad Roland: Frei Otto – Spannweiten. Ideen und Versuche zum Leichtbau. Ein Werkstattbericht von Conrad Roland. Ullstein, Berlin, Frankfurt/Main und Wien 1965.
 Frei Otto, Bodo Rasch: Finding Form - Towards an Architecture of the Minimal, Edition Axel Menges, 1996, 
 Nerdinger, Winfried: Frei Otto. Das Gesamtwerk: Leicht Bauen Natürlich Gestalten, 2005, 

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

קטגוריה:גגות