Timber Wave – doświadczenia w projektowaniu obiektów z drewna

Stowarzyszenie Handlowe Amerykańskiego Przemysłu Drewna Liściastego (AHEC) w 2011 roku zleciło pracowni architektonicznej Amanda Levete Architects (AL_A) zaprojektowanie tymczasowej instalacji o nazwie Timber Wave, która stanęła przed wejściem do Muzeum Wiktorii i Alberta w Londynie.

Historia projektu

AHEC i Festiwal Designu w Londynie poprosiły Amandę Levete z pracowni architektonicznej Amanda Levete Architects (AL_A) i firmę inżynieryjną Arup o zaprojektowanie konstrukcji obrazującej siłę i piękno czerwonego dębu amerykańskiego. „Zwykle czuję się niekomfortowo, gdy projektowany obiekt nie ma ściśle określonej funkcji, ale w tym przypadku cel był bardzo jasny. Chcieliśmy stworzyć 12,5-metrową, samodzielnie stojącą konstrukcję, wykonaną z drewna przy użyciu minimalnej ilości stalowych elementów złącznych. Naszym celem było „wyjście” z ekspozycją muzeum na ulicę, nawiązując wizualnie do formy łuku – patrząc pod pewnym kątem Timber Wave stanowi odbicie łuku portalu wejściowego muzeum. Chcieliśmy również ukazać techniczne i artystyczne możliwości tego surowca” –powiedziała Amanda Levete, założycielka AL_A. „Był to najbardziej złożony konstrukcyjnie projekt, jakiego kiedykolwiek się podjęliśmy. Stanowił on duże wyzwanie, ale został zwieńczony sukcesem” – dodała.

Muzeum Wiktorii i Alberta; fot. Dennis Gilbert,

Idea i realizacja projektu

Konstrukcja Timber Wave miała odpowiadać wysokością wejściu do Muzeum Wiktorii i Alberta, jednakże zamysłem pracowni AL_A było zastosowanie w niej elementów nie dłuższych niż te wykorzystywane przy produkcji mebli. Arup zaproponował więc wykonanie prostej kratownicy w kształcie łuku, która w połączeniu z niezwykłą wytrzymałością czerwonego dębu pozwoliłaby na stworzenie możliwie jak najlżejszej konstrukcji. Architekci przystali na tę propozycję, ale zdecydowali o wygięciu łuku w olbrzymią falę w kształcie otwartego pierścienia, na którą złożyłyby się mniejsze faliste elementy, stanowiące charakterystyczną cechę tej konstrukcji.

Części faliste (rys. 1.1-1.2) i łukowe (rys. 2.1-2.2) stanowią główne elementy Timber Wave.

Rysunek 1.1. - Faliste elementy (w sumie było 88 falistych elementów wykonanych z cienkiej warstwy drewna klejonego, w 14 rodzajach o długości od 2600 mm do 4600 mm)	Rysunek 1.2 - Pojedynczy falisty element (w sumie było 88 falistych elementów wykonanych z cienkiej warstwy drewna klejonego, w 14 rodzajach o długości od 2600 mm do 4600 mm).
Rysunek 2.1. - Łukowe elementy (w sumie było 460 łukowych elementów, wyciętych z płaskich kawałków drewna, w 45 rodzajach o długości od 500 mm do 1400 mm)	Pojedynczy łukowy element (w sumie było 460 łukowych elementów, wyciętych z płaskich kawałków drewna, w 45 rodzajach o długości od 500 mm do 1400 mm)

Aby stworzyć wrażenie delikatności konstrukcji, architekci pracujący przy projekcie postanowili wygiąć wszystkie elementy i umieścić największe z nich w dolnej, a lżejsze w górnej części instalacji. Proces ten był znaczącym wyzwaniem technicznym. W kratownicy wszystkie części podlegają ściskaniu lub rozciąganiu - im bardziej są zakrzywione, tym bardziej będą przeciwdziałać prostowaniu się lub składaniu. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania do projektowania parametrycznego o nazwie Grasshopper, architekci i inżynierowie mogli szybko zaprojektować zarówno wielkość elementów jak i stopień ich wygięcia tak, by uzyskać pożądany efekt oraz przewidzieć zachowanie całej konstrukcji. Na koniec podjęto decyzję o zachowaniu stałej wysokości fali równej 150 mm i zróżnicowaniu wielkości elementów (od przekroju 60mm x 60mm do 140mm x 80mm) tak, aby zachować stałą wielkość działającej siły. Dzięki temu odwiedzający mogli zauważyć, które elementy wykonują większą pracę, dodając dynamiki całej konstrukcji. Części znajdujące się bliżej podłoża, a zwłaszcza cięciwy zewnętrzne, przejmowały działanie największych sił, kiedy porywisty wiatr próbował zepchnąć konstrukcję w kierunku muzeum (rys.3).

Rysunek 3 - Analiza konstrukcji Timber Wave - rozciąganie i ściskanie elementów

Zastosowanie falistych i łukowych elementów pozwoliło zespołowi projektowemu na przetestowanie różnych sposobów gięcia drewna. Początkowo zamierzano formować drewno w łukowe kształty przy zastosowaniu obróbki hydrotermicznej, ale przy wilgotności wynoszącej zaledwie 8%, drewno suszone w piecu suszarniczym było zbyt suche, aby można było zastosować tę metodę. Ponadto drewno gięte w ten sposób mogłoby nie spełnić wymagań wytrzymałościowych. W związku z tym cięciwy zostały sklejone w prasie, aby uzyskać jednometrowy promień gięcia, natomiast grubość płyt z drewna klejonego musiała zostać zmniejszona do około 6 mm, w porównaniu z 30–40 mm zazwyczaj stosowanymi do wykonywania łuków z drewna klejonego. Dzięki zastosowaniu drewna klejonego możliwe było uzyskanie wytrzymałych włókien przebiegających wzdłuż poszczególnych elementów.

Każda cięciwa została wykonana w siedmiu długościach. W końce każdego elementu wklejono stalowe pręty, które połączono ze sobą na miejscu ustawienia konstrukcji. Lekki skręt elementów pozwolił na uzyskanie pożądanej geometrii, tak, aby instalacja miała kształt spirali skierowanej na zewnątrz muzeum. Dyskretnie ukryte pręty zostały również przyklejone do ścianek bocznych elementów o największych naprężeniach, aby zapobiec ich rozerwaniu pod wpływem obciążenia drewnianych elementów klejonych.

Cała instalacja została wykonana z tarcicy o szerokości około 200 mm i grubości 25 mm, wysuszonej w piecu suszarniczym. Elementy pofalowane miały 60 mm grubości i były cięte z trzech płyt o grubości 20 mm, które sklejono ze sobą. Rozcinanie płyt na trzy części pozwoliło uzyskać elementy klejone o grubości 6 mm, z których wykonano cięciwy. To z kolei pozwoliło ustalić maksymalne wygięcie, jakie trzeba było nadać cięciwom (zazwyczaj promień gięcia drewna może być 200 razy większy od jego grubości). Ostatecznie określono maksymalną szerokość elementów przewiązujących na 80 mm.

Łączenie elementów

Właściwe połączenie elementów konstrukcji było bardzo istotnym krokiem w procesie projektowania Timber Wave, ponieważ zapewniało prawidłowe działanie bardzo skomplikowanych elementów łączących. W typowym elemencie łączącym znajdowały się dwa odcinki cięciwy, których końce połączono z czterema wygiętymi elementami przewiązującymi (rys.4).

Rysunek 4 - Połączenia konstrukcji Timber Wave, w tym przekładki i łączniki kabłąkowe

Cięciwy zewnętrzne otrzymały dodatkowo dwie przewiązki łączące je z sąsiednimi elementami (rys.5.1-5.2). Inżynierowie z firmy Arup zaprojektowali wszystkie połączenia ze stali nierdzewnej, aby uniknąć poplamienia drewna związkami wydzielanymi w wyniku reakcji stali z taniną znajdującą się w drewnie dębowym. Zespół projektowy chciał, aby połączenia były jak najmniej widoczne – zamierzony efekt wizualny miał dawać wrażenie konstrukcji całkowicie wykonanej z drewna.

Rysunek 5.1. - Przewiązki (w sumie było 96 przewiązek zapewniających dodatkową stabilność, o prostym kształcie z zakończeniami o przekroju kwadratowym i okrągłą częścią środkową. Ich długość wynosi od 150 mm do 1600 mm)

Rysunek 5.2. - Pojedyńcza wiązka (w sumie było 96 przewiązek zapewniających dodatkową stabilność, o prostym kształcie z zakończeniami o przekroju kwadratowym i okrągłą częścią środkową. Ich długość wynosi od 150 mm do 1600 mm).

Elementy przewiązujące zostały na końcach przecięte płytkami ze stali nierdzewnej, co oznacza, że cienkie płytki stalowe wsunięto do komponentów i przymocowano do nich w taki sposób, aby mogły przejąć część naprężeń, a także połączyć elementy konstrukcji. Do cięciw wprowadzono stalowe pręty i połączono je ze strzemiączkami. Konstrukcja musiała uwzględnić nie tylko ciężar i olbrzymie naprężenia wywołane przez siły rozciągające i ściskające, ale także działanie sił zewnętrznych, takich jak siła wiatru.

Testy sprawdzające przeprowadzone w zakładzie, w którym wykonano konstrukcję, wykazały, że drewniane elementy zachowywały się lepiej niż oczekiwano. Było to zasługą zarówno bardzo wysokiej jakości surowca, jak również dbałości o szczegóły i umiejętności osób pracujących przy tym projekcie.

Wyzwania montażu

Końcowym etapem wykonania projektu był montaż konstrukcji przed budynkiem Muzeum Wiktorii i Alberta. Firma Cowley Timberwork wstępnie zmontowała sześć dużych części instalacji w fabryce i dostarczyła je na miejsce. Każda z nich została precyzyjnie połączona z sąsiednim elementem. Następnie konstrukcję Timber Wave opuszczono w dół rusztowania, usunięto rusztowania i ogrodzenia oraz zamontowano oświetlenie. Gotową instalację można było oglądać od 19 września do 14 października 2011 roku.

O drewnie amerykańskim

Drewno, z którego wykonano konstrukcję Timber Wave, to czerwony dąb amerykański, przekazany na ten cel przez ośmiu członków stowarzyszenia AHEC. Rośnie on obficie we wschodniej części Stanów Zjednoczonych, stanowiąc około 30% wszystkich drzew liściastych w tym kraju. Czerwony dąb amerykański łączy w sobie wysoką wytrzymałość z łatwością obróbki mechanicznej. W 1998 roku AHEC wraz z brytyjską instytucją Building Research Establishment (BRE) przeanalizowali możliwości konstrukcyjne czterech gatunków amerykańskiego drewna liściastego – tulipanowca, jesionu oraz czerwonego i białego dębu. Ze wszystkich przebadanych gatunków, to właśnie czerwony dąb amerykański okazał się najbardziej wytrzymały, pomimo tego, że ma o około 20% mniej zwartą strukturę niż biały dąb.