Ứng dụng tạo hình Hyperbolic paraboloid trong thiết kế bê tông vỏ mỏng

Hyperbolic paraboloid trong hình học

Mặt Hyperbolic Paraboloid được hình thành bởi sự kết hợp của các bề mặt lõm và lồi. Đó là những bề mặt cong kép với độ cong Gaussian âm, được hình thành trong không gian ba chiều bằng cách tịnh tiến (chuyển vị song song theo chiều dọc) một parabol cong hướng xuống và một parabol cong hướng lên theo chiều vuông góc, tạo ra một bề mặt yên ngựa. Tên gọi Hyperbolic paraboloid (tên rút gọn là hypar) phát sinh từ thực tế là các mặt cắt nằm ngang của cấu trúc là các hyperbol, trong khi các mặt cắt dọc (song song với hai mặt phẳng tọa độ khác: mặt phẳng xz và yz) là các parabol.

Đặc điểm và sự tương thích của mặt hyperbolid paraboloid với cấu trúc vỏ mỏng

• Tạo hình đơn giản. Mặc dù là một bề mặt cong nhưng Hyperbolic paraboloid đặc biệt có thể được xây dựng từ một đường thẳng (còn gọi là đường sinh) chuyển động, luôn cắt hai đường thẳng chéo nhau và song song với một mặt phẳng định hướng (S). Đây chính là môt lý do quan trọng cho việc sử dụng hypar trong xây dựng bê tông vỏ mỏng, cho phép sử dụng các tấm ván thẳng làm ván khuôn.

•  Sức mạnh đến từ hình thức chứ không phải từ khối lượng. Cấu trúc vỏ dạng mặt hypar có độ cong kép với các đường gân dọc là hình parabol và các đường gân ngang tạo thành đường cong hypebol, tạo ra cơ chế chống uốn. Cáp và cơ chế vòm tương tác theo hai hướng ngược nhau. Các lực và tải trọng tác động lên lớp vỏ gây ra lực nén ở phần cấu tạo bên trong của vòm đồng thời gây ra lực căng cho các dây cáp hoặc cốt thép bên trong. Không giống như các dạng cấu trúc tiêu chuẩn, cấu trúc vỏ mỏng hypar có được sự ổn định của chúng từ hình thức chứ không phải khối lượng. Các bề mặt cong thường hoạt động vừa như các bức tường vừa như mái nhà. Vì hình thức được tạo thành từ các bề mặt cong; nó giảm nguy cơ bị mất ổn định do nén thường thấy ở các bộ phận kết cấu trong mặt phẳng. Tính linh hoạt của hình thức và sức mạnh do các quy tắc dọc theo hai trục cho phép nó chịu được tải trọng chết và tải trọng gió. Mặt Hypar có thể được tạo ra bằng nhiều vật liệu xây dựng dựa tùy cách sử dụng, chẳng hạn như thép, nhôm, gỗ, ván ép, tre,… và đặc biệt là bê tông cốt thép

Ứng dụng vỏ mỏng hyperbolic paraboloid trong các thiết kế đương đại

Cấu trúc vỏ mỏng ứng dụng mặt hypar đã đạt được một trạng thái tượng trưng cho sự hiện đại hóa và tiến bộ trong thời kỳ hậu chiến tại Mỹ và châu Âu. Nó xuất hiện trong tất cả các loại cấu trúc như nhà thờ, nhà kho, nhà ở và trạm xăng, … Cho đến nay, hypar được nhìn thấy trong nghệ thuật sắp đặt, mái nhà của các công trình thương mại, không gian đô thị, cảnh quan cứng,… trong kiến trúc đương đại.

Công trình phức hợp gồm: Nhà hàng dưới nước tại L’Oceanogràfic, tòa nhà dẫn vào cùng một Công viên Hải dương học lớn ở Tây Ban Nha là những dự án ứng dụng cấu trúc vỏ mỏng Hypar cuối cùng của Candela trước khi ông qua đời vào năm 1997, trở thành tác phẩm đương đại để đời của ông.

Đối với thiết kế nhà hàng, Candela đã xây dựng lại cấu trúc vỏ được xây dựng vào năm 1958 tại Xochimilco (Mexico) bao gồm tám thùy đối xứng xuyên tâm, mỗi thùy là một phần của hypar. Vỏ chỉ dày 6 cm, tăng dần lên đến 22,5 cm ở giao điểm của các đường gân. Hình dạng của kết cấu vỏ bê tông cho lối vào tòa nhà dựa trên các bản phác thảo vẽ tay của Candela. Lớp vỏ này bao gồm giao điểm của ba hypar.

Sự biến đổi và phát triển từ bề mặt uốn cong dạng hypar có thể tạo ra những kiến trúc uốn lượn độc đáo, mang hơi thở thời đại. Santiago Calatrava, Zaha Hadid và nhiều KTS nổi tiếng khác đã sử dụng các cấu trúc mặt tạo hình dạng hypar cho các thiết kế của họ. là một số công trình kiến trúc đương đại nổi tiếng ứng dụng và phát triển cấu trúc dạng hypar. KnitCandela là tác phẩm trang trí đương đại, xây dựng năm 2018 tại Museo Universitario Arte Contemporáneo (MUAC) ở TP Mexico như một phần của triển lãm đầu tiên của KTS Zaha Hadid ở Mỹ Latinh. Đó cũng là một cấu trúc thử nghiệm bày tỏ lòng kính trọng đối với KTS và kỹ sư người Tây Ban Nha-Mexico Félix Candela. KnitCandela mô phỏng lại cấu trúc vỏ bê tông sáng tạo của Candela thông qua việc giới thiệu các phương pháp thiết kế tính toán mới và công nghệ ván khuôn KnitCrete.

Tác phẩm này làm từ một lớp vỏ bê tông mỏng, uốn lượn được đúc dựa trên công nghệ dạng dệt kim siêu nhẹ và vận chuyển từ Thụy Sĩ đến Mexico trong một chiếc vali. Hình học năng động của lớp vỏ KnitCandela được lấy cảm hứng từ các dạng lỏng của trang phục truyền thống đầy màu sắc của Jalisco, Mexico. Trong khi Candela dựa vào việc kết hợp các bề mặt paraboloid hyperbol để tạo ra ván khuôn có thể tái sử dụng dẫn đến giảm chất thải xây dựng, thì KnitCrete cho phép hiện thực hóa phạm vi hình học chống co giãn rộng hơn nhiều. Với hệ thống ván khuôn dạng lưới và vải này, giờ đây có thể thi công các bề mặt bê tông có hình dạng tự do, biểu cảm một cách hiệu quả mà không cần đến các loại khuôn phức tạp. Lớp vỏ bê tông mỏng, cong kép của Knit Candela với diện tích bề mặt gần 50m2 và nặng hơn 5 tấn, đã được ứng dụng trên ván khuôn KnitCrete chỉ 55 kg. Công trình đã khẳng định cho tầm quan trọng, vẻ đẹp vượt thời gian và tính ứng dụng cao của cấu trúc dạng vỏ hypar trong kiến trúc và xây dựng hiện đại.

>>> Xem thêm: Vật liệu lát sàn nào chống ẩm cho nhà vườn?