Kết cấu bê tông cốt thép của Bảo tàng nghệ thuật Milwaukee

T I ỂUL UẬN

KẾTCẤUCÔNG T RÌ NH 2

BẢO T ÀNG NGHỆT HUẬT MI L WAUKEE

S VT H:NGUYỄNQUỐC AN L ớp:KT 18A5 MS S V:18510100998

Đề tài tiểu luận: Chọn một công trình bằng BTCT, sau đó phân tích hệ Kết cấu chính và các cấu kiện sàn, dầm, cột, liên kết… Nêu các đặc điểm về tính toán hệ kết cấu và các cấu kiện này.

I. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Kiến trúc sư Santiago Calatrava Valls là một kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu, nhà điêu khắc và họa sĩ người Tây Ban Nha, thiết kế của ông nổi tiếng với những cây cầu được hỗ trợ bởi những giá treo nghiêng đơn, và các nhà ga, sân vận động và viện bảo tàng có hình thức kiến trúc thường giống với các con vật. Các công trình nổi tiếng nhất của ông bao gồm Khu liên hợp thể thao Olympic ở Athens, Bảo tàng Nghệ thuật Milwaukee, tháp Turning Torso ở Malmö, Thụy Điển, Trung tâm Giao thông Vận tải Trung tâm Thương mại Thế giới ở Thành phố New York, Auditorio de Tenerife ở Santa Cruz de Tenerife, Cầu Margaret Hunt Hill ở Dallas, Texas, và dự án lớn nhất của ông, Thành phố Khoa học và Nghệ thuật và Nhà hát Opera ở nơi ông sinh ra, Valencia.

2. Phong cách và ảnh hưởng Bản thân Calatrava nhận thấy rằng ông bị ảnh hưởng đặc biệt bởi công việc của các kỹ sư như Robert Maillart người Thụy Sĩ (1872–1940), người đã truyền cảm hứng cho ông tìm kiếm những hình thức đơn giản có thể tạo ra phản ứng cảm xúc.

Cũng là một nhà điêu khắc, Calatrava thường xuyên nói về mối liên hệ giữa điêu khắc và kiến trúc trong tác phẩm của mình. "Trong điêu khắc, tôi thường sử dụng hình cầu, hình khối và các dạng đơn giản khác thường được kết nối với kiến thức của tôi về kỹ thuật." Ông lưu ý rằng tòa nhà Turning Torso của ông ban đầu được hình thành như một tác

phẩm điêu khắc, và ông ca ngợi sự tự do của Frank Gehry và Frank Stella trong việc tạo ra nghệ thuật điêu khắc, nhưng ông cũng lưu ý những điểm khác biệt.

Bản phác thảo và công trình Turning Torso của Santiago Calatrava

Như đã đề cập ở phần đầu, thiết kế của ông nổi tiếng với những hình thức kiến trúc thường giống với các biểu tượng, con vật.

Bản phác thảo biểu tượng tự do và công trình World Trade Center Transportation Hub

Chuyển động cũng là một yếu tố quan trọng trong kiến trúc của Calatrava. Ông lưu ý rằng nhiều nhà điêu khắc thế kỷ 20, chẳng hạn như Alexander Calder, đã thực hiện các tác phẩm điêu khắc chuyển động. Ông đã viết luận án đại học của riêng mình về "Tính linh hoạt của cấu trúc ba chiều" và mô tả cách các vật thể, bằng cách chuyển động, có thể chuyển từ ba chiều sang hai và thậm chí thành một. Các yếu tố di chuyển gấp lại và mở rộng trở thành một yếu tố quan trọng trong hầu hết các dự án của anh ấy. Ông nói với một người viết tiểu sử:

“Kiến trúc tự nó chuyển động, và với một chút cơ hội, nó sẽ trở thành một đống đổ nát tráng lệ”.

Đôi cánh đặc trưng của Bảo tàng phải mất 3,5 phút để mở hoặc đóng

3. Sơ lược về Bảo tàng Milwaukee a. Nguồn gốc

Năm 1888, khi Frederick Layton xây dựng một phòng trưng bày nghệ thuật gần nhà thờ, một số nhóm người nảy ra ý tưởng thành lập Hiệp hội Nghệ thuật Milwaukee (sau này là Viện Nghệ thuật Milwaukee). Sau Thế chiến thứ hai, cộng đồng doanh nghiệp Milwaukee bắt đầu quan tâm đến việc xây dựng một khu phức hợp nghệ thuật và âm nhạc dành riêng cho những người lính phục vụ Milwaukee. Năm 1957, phòng trưng bày Nghệ thuật Layton chuyển bộ sưu tập Layton cùng với Viện Nghệ thuật Milwaukee vào Trung tâm Tưởng niệm Chiến tranh do Eero Saarinen thiết kế.

Trung tâm Tưởng niệm Chiến tranh do Eero Saarinen thiết kế

Một tòa nhà được xây dựng thêm vào năm 1975 bởi David Kahler đã cung cấp thêm không gian trưng bày cho Bộ sưu tập mở rộng. Vào năm 2001, kiến trúc sư Santiago Calatrava đã thiết kế Quadracci Pavilion, không chỉ cung cấp cho khu vực bây giờ là Bảo tàng Nghệ thuật Milwaukee với không gian tụ họp công cộng lớn hơn, mà còn mang đến cho thành phố Milwaukee một biểu tượng quốc tế mới.

Quadracci Pavilion

b. Quadracci Pavilion Phần bổ sung Quadracci Pavilion rộng 142,050 feet vuông được hoàn thành vào năm 2001. Phần bổ sung này bao gồm Windhover Hall, lối vào lớn, với trần nhà bằng kính cao 90 feet. Ngoài ra, còn có “đôi cánh đặc trưng của Bảo tàng”, Burke Brise Soleil, là một “tấm chắn nắng có thể di chuyển” có thể mở ra vào ban ngày, gập lại trên cấu trúc hình vòm cao vào ban đêm hoặc khi thời tiết khắc nghiệt.

Công trình đã nhận được Giải thưởng Cấu trúc Xuất sắc năm 2004 của Hiệp hội Quốc tế về Cầu và Kết cấu. Công trình mang tính biểu tượng

này thường được gọi là "Calatrava", được xem như biểu trưng của bảo tàng.

Nội thất bên trong Bảo tàng Nghệ thuật Milwaukee

c. Bộ sưu tập Bảo tàng có gần 25.000 tác phẩm nghệ thuật được đặt trên bốn tầng, với các tác phẩm từ thời cổ đại đến nay. Bao gồm trong bộ sưu tập là các bức tranh châu Âu từ thế kỷ 15 đến thế kỷ 20 và từ thế kỷ 17 đến thế kỷ 20 của Mỹ, tác phẩm điêu khắc, bản in, bản vẽ, nghệ thuật trang trí, ảnh và nghệ thuật dân gian và nghệ thuật tự học.

(1)

(2)

(3)

(4)

(1) Frank Lloyd Wright, "Tree of Life" Window from the Darwin D. Martin House (Buffalo, New York), 1904 (2) Claude Monet, Waterloo bridge, 1900 (3) Gustave Caillebotte, Boating on the Yerres, 1877 (4) Georgia O'Keeffe, The Flag, watercolor and graphite on paper, 12 × 8 3/4 in. (30.5 × 22.2 cm), 1918

II. BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT MILWAUKEE – MỘT KIẾN TRÚC CHUYỂN ĐỘNG 1. Ý tưởng thiết kế Ban đầu, cấu trúc của bảo tàng này chỉ được xây dựng với hai tầng và là đài tưởng niệm chiến tranh của Eero Saarinen vào năm 1957. Kiến

trúc sư theo chủ nghĩa hiện đại này đã sử dụng không gian một cách đáng kể. Sau đó, David Kahler đã tạo ra một không gian lớn hơn cho bảo tàng này vào năm 1975. Ông đã kết nối bảo tàng với thành phố bằng một cây cầu bê tông. Sau đó, Calatrava đã thiết kế một công trình bổ sung mới được gọi là Quadracci Pavillion lấy cảm hứng từ những con chim bay cao, thuyền buồm và hồ nước vào năm 2001, liên kết với một đại lộ với một cây cầu dành cho người đi bộ.

Calatrava cũng là một kỹ sư dân dụng, nhà điêu khắc và họa sĩ. Cấu trúc tuyệt vời này có rất nhiều tác động của kỹ thuật của ông. Bởi vì, nó không chỉ là một công trình thông thường. Nó cho thấy sự kết hợp ấn tượng giữa kiến trúc và kỹ thuật. Hơn nữa, nó đề cập đến nhiều tác phẩm điêu khắc nghệ thuật. Calatrava luôn muốn tìm ra tuyên bố của sự năng động và làm cho các hình thức có thể di chuyển và thay đổi được từ khi còn nhỏ. Ông đã cố gắng nghĩ ra cách để tạo cảm giác chuyển động cho các vật thể và giải quyết nghịch lý này. Ông muốn thiết kế các cấu trúc năng động và có thể thu gọn hơn là tuân theo các quy tắc kiến trúc cố định về sự ổn định và vững chắc. Cấu trúc này cho thấy nhiều ấn tượng về nghệ thuật và các hình thức tự nhiên. Ví dụ, nó trông giống như các dạng cánh chim có thể gập lại được thiết kế bởi Leonardo Da Vinci.

Công trình thực sự tương thích với bối cảnh của nó. Nó có một số sự kiện về biển được lấy cảm hứng từ địa điểm gần đó là hồ nước. Nó trông giống như những chiếc thuyền buồm, và đôi cánh vững chãi của nó gợi nhớ đến những con mòng biển đang bay. Sự chuyển động của đôi cánh thép cho thấy sự liên tưởng đến sóng biển. Hơn nữa, hình thức của cầu cáp trông giống như một cánh buồm. Và trên hết, màu sắc của nó có mối quan hệ với các cấu trúc xung quanh.

2. Cấu trúc công trình “Đôi cánh hải âu” gồm 72 thanh chắn dài từ 8-31m, nặng khoảng 90 tấn, chuyển động nhờ hệ thống 22 xi lanh thủy lực. Sải cánh của hai lá chắn này lên đến 66m, dài hơn cánh của máy bay Boeing 747, có khả năng gập lại hết cả chiều dài. Mất 3 phút rưỡi mỗi lần để đóng mở đôi cánh này.

Chiếc cầu treo là nhịp nối dẫn lối khách tham quan. Chiếc cầu được thi công trên cột đỡ cáp cao gần 61m, bắc ngang qua đài tưởng niệm Lincoln. Bên dưới cầu không có kết cấu các trụ đỡ, nhằm tạo nét nhẹ nhàng, thanh mảnh tương thích với hình dáng mảnh mai, uyển chuyển của bảo tàng.

Tầng gửi xe

Tầng dưới

Tầng chính

Cầu/ Tầng lửng

Tầng trên

Mặt bằng tầng chính

3. Đặc điểm kết cấu Công trình làm bằng kính và thép Quadracci Pavillion sẽ đóng vai trò là lối vào bảo tàng. Công trình được đặt lên trên một dầm vòng bê tông ngay phía nam của tầng thấp (lower level) của khu triển lãm. Đặc biệt các khung thép chữ A được chế tạo, có chiều dài từ 98 feet đến khoảng 27 feet, đã được chở từ Portland, Ore, để lắp ráp và bố trí trên địa điểm làm việc. Các xà nhà hình chữ A được thiết kế bằng máy tính và được chế tạo tùy chỉnh bởi Columbia Wire and Iron Works, một nhà chế tạo thép đặc biệt ở Portland. Các thành phần của khung thép chữ A được cắt ra từ các tấm thép lớn hàn với nhau. Hình dạng được xác định bằng các thông số đã được thiết kế trên máy tính. Một khung chữ A khi hoàn thiện xong sẽ được đặt trên dầm vòng hình o-van. Sau đó các ô kính sẽ được lắp vào liên kết bằng những thanh thép.

“Xương sống của công trình” sẽ được cố định ở trên đỉnh của khung thép chữ A. Phía trên nó, 2 gai quay (rotating spines) sẽ hỗ trợ cho việc chuyển động của các lam che nắng (Brise-Soleil), là một đặc điểm kiến trúc của một tòa nhà làm giảm sự tăng nhiệt trong tòa nhà đó bằng cách làm chệch hướng ánh sáng mặt trời. Ánh sáng là yếu tố quan trọng trong ý tưởng thiết kế và cách hoạt động của Quadracci Pavillion.

Ban ngày, không gian triễn lãm ở dưới sẽ nhận ánh sáng tự nhiên. Ban đêm, sẽ nhận ánh sáng nhân tạo được cung cấp bởi hệ thống đèn đặt dọc theo dầm hình xuyến bằng bê tông. Calatrava ban đầu hình dung nó như “một chiếc đèn lồng” phát sáng ở trung tâm thành phố ven bờ hồ, tỏa ánh sáng ra mọi hướng.

Hệ thống đèn được đặt dọc theo dầm hình xuyến bằng bê tông

4. Xây dựng các thành phần và hệ thống Các khu chức năng của tòa nhà chính bao gồm hầm để xe, không gian trưng bày, gian hàng (dầm vòng và khung chữ A) và sân thượng phía nam. Ngoại trừ khung chữ A, bao gồm thép tấm và giá đỡ Burke Brise-Soleil, vật liệu kết cấu khác được gia cố bê tông.

Tòa nhà nằm trên nền móng dày 0,6m, dốc 2,1m, kéo dài 18m từ tường móng đến dầm móng trung tâm rộng 2,7m sâu 1,4m dọc theo chiều dài. Dầm đỡ các vòm dưới sử dụng bước 6m tạo thành mái của nhà để xe và tầng trưng bày.

Một phần của cánh kết nối Quadracci Pavilion được lấy nguyên bản của Eero Saarinen, một kiến trúc sư người Mỹ gốc Phần Lan. Tầng để xe cao 2.9m. Phần C (trong hình) là một bán vòm kéo dài khoảng 18m kết nối dầm trung tâm và dầm chuyển đến các bức tường (found wall). Khi thiết bị cơ khí được đặt trong không gian từ trần nhà để xe đến sàn, độ sâu của phần nằm ngang của các phần tử C là quyết định bởi các yêu cầu về không gian thiết bị cơ khí hơn là các yêu cầu về cấu trúc.

Tấm trần bê tông cốt thép nhẹ dày 152 mm của nhà để xe được hỗ trợ từ tầng thấp (lower level) của phần tử C, hỗn hợp bê tông / kim loại tổng hợp dày 203 mm.

Mặt cắt một phần

Không gian trưng bày được đặt trong một cấu trúc mái vòm bằng bê tông dốc thấp. Khung Gallery được bao gồm của ba yếu tố cấu trúc A1 phía đông, trung tâm B1 và phía tây A1 - cách nhau 2,9 mtheo trục Bắc Nam. Các yếu tố A1 và B1 có thể nhìn thấy trong hình trên. 3 yếu tố này tạo thành một vòm hoàn chỉnh dài khoảng 33m.

Sàn tầng triễn lãm được xây bằng bê tông cốt thép nhẹ, hỗ trợ cho các khung chữ A giúp cho “Đôi cánh hải âu” có thể di chuyển được.

Mặt đứng của Quadracci Pavilion

Khung của các tấm kính, bao gồm khung chữ A và phần “Xương sống của công trình” nằm trên đỉnh Pavilion và dầm. Tất cả các yếu tố trên hỗ trợ lẫn nhau. “Xương sống của công trình” ((building spine) là một ống thép dày 635mm đường kính 13mm. Khung chữ A với một mạng lưới các thanh nghiêng với thanh giằng ngang được kết nối với các thanh dọc. Các thanh thẳng đứng, cao 1,4m từ pavilion, được giằng xung quanh nhằm cung cấp sự ổn định bên của toàn bộ cụm khung chữ A và chuyển nó sang dầm hình xuyến (ring beam). Trên đầu các thanh này, 17 khung chữ A nghiêng liên kết với “xương sống của công trình” (building spine), nghiêng 48,36 độ về phía pavilion (song song với dây văng trụ cầu).

5. “Đôi cánh hải âu” hay Burke Brise-Soleil

Burke Brise-Soleil có thể chuyển động được. Điều này tạo nên yếu tố đặc trưng trong thiết kế của Calatrava. Burke Brise-Soleil bao gồm 2 cánh lớn, mỗi cánh gồm 36 cánh tản nhiệt dạng ống hình chữ nhật bằng théo có chiều rộng mặt cắt ngang không đổi là 330mm, nhưng thay đổi về chiều dài, chiều sâu và độ dày. Chúng được kết nối với nhau một cách chắc chắn bằng các miếng đệm bằng thép. Mỗi cánh được hỗ trợ bởi một trục quay. Hai gai quay lần lượt được hỗ trợ bởi xương sống của tòa nhà, và 11 cặp bộ truyền động thủy lực quay các trục quay 90 độ để mở hoặc đóng hoàn toàn cánh. Cơ chế này được mô tả chi tiết hơn trong hình dưới.

Thách thức lớn nhất trong quá trình thiết kế Burke Brise-Soleil là hiểu được tác động của gió lên trên kết cấu.

6. Cầu cho người đi bộ Cầu đi bộ được định hướng cùng với trục cột của Pavalion. Cầu đi bộ dây văng dài 71m, đi qua đài tưởng niệm Lincoln, đóng vai trò như sợi dây liên kết từ trung tâm thành phố Milwaukee với Burke Brise-Soleil. Chín cuộn cáp dây có khóa và 18 cáp dây văng mặt sau hỗ trợ10 nhịp chính của cầu. Nhịp sau 15m được hỗ trợ bởi hai thanh thép được neo vào pavalion, trong khi chín dây cáp phía trước được hỗ trợ bởi cột thép nghiêng dài 60 m. Các cột tháp có mặt cắt ngang và đường kính thay đổi theo chiều cao của nó.

Như ở hình minh họa dưới, phần chính của cây cầu là một thép 5 cạnh khép kín với kết cấu có vỏ chịu lực, sâu 0,6m và rộng 5m. Mố cầu “boomerang” được hình thành từ thép tấm hàn và là được neo ở đầu

đến cuối phía tây của dầm hình xuyến của pavalion và hỗ trợ đế cột tháp.

Cầu đi bộ dây văng

7. Tác động của trọng lực Để minh họa cho sự truyền tải trọng lực, một sơ đồ đơn giản được vẽ như hình dưới

Sơ đồ truyền tải

Sơ đồ tải

Trong 2 hình ảnh dưới, một số lực và các quá trình cấu trúc quan trọng khác đã được hiển thị rõ ràng. Màu đỏ biểu thị mômen uốn lớn nhất trên kết cấu. Biểu đồ màu xanh lá cây cho thấy nơi lực cắt ở mức cao nhất. Và tất cả các tải trọng và lực lượng đã được cân bằng một cách rất hoàn hảo.

Sơ đồ cắt

Sơ đồ mômen

Ở Sơ đồ võng cho thấy hình dạng bị lệch về kích thước tương đối của các bộ phận và tải phân tán. A1 cho thấy độ lệch nhiều nhất với chỉ số 15.

Sơ đồ võng

III.

Kết luận

Cấu trúc này rất chức năng. Nó có nhiều không gian công cộng trong một thiết kế. Có tầng để xe dưới lòng đất. Sau đó, ở tầng dưới, có một số không gian hội họp, sân thượng và nhà hàng. Trong tầng chính gồm nhiều không gian khác nhau như sảnh lễ tân, sảnh triển lãm, và sân thượng. Nó cũng là mặt đất. Ở tầng lửng (phần thiết kế bổ sung sau của Calatrava) có một kết nối với cây cầu. Có sảnh, phòng hội đồng và các phòng trưng bày hiện có. Tất cả các không gian triển lãm, sân thượng, quán cà phê, cửa hàng, khán phòng và khu vực đậu xe tạo ra không gian công cộng rất hữu. Ngoài ra, bên dưới cây cầu, một không gian công cộng (như một khu vườn) đã được tạo ra. Mọi người cũng có thể sử dụng khu vực này để tổ chức nhiều hoạt động ngoại khóa.

Tóm lại, Calatrava đã thiết kế một cấu trúc rất ấn tượng bằng cách sử dụng sự thuận tiện của bối cảnh, kiến thức kỹ thuật sâu rộng và kỹ năng nghệ thuật của mình. Nó trông giống như một con chim bay đến hồ.

Theo cách nghĩ của tôi, những công trình kiến trúc và công trình kiến trúc kiểu này nên được khuyến khích và ủng hộ. Khi đó, các cấu trúc bao quanh chúng ta có thể rất hiện đại và đầy cảm hứng hơn là những tòa nhà cao tầng thông thường.

IV.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Greene R., (2013), How Santiago Calatrava Blurred The Lines Between Architecture and Engineering To Make Buildings Move, Archdaily, Retrieved January 3, 2015 from http://www.archdaily.com/321403/how-santiago-calatrava-blurredthe-lines-between-architecture-and-engineering-to-make-buildingsmove/ 2. Calatrava’nın Kanatları, (2010), Mimdap, Retrieved January 3, 2015 from http://www.mimdap.org/?p=44610 3. Quadracci Pavillion, (n.d.), Milwaukee Art Museum Info, Retrieved January 3, 2015 from http://mam.org/info/details/quadracci.php 4. Architecture, (n.d.), Milwaukee Art Museum Info, Retrieved January 3, 2015 from http://mam.org/info/architecture.php 5. https://www.freeformland.com/en/freeformland/175/MILWAUKEE_A RT_MUSEUM 6. Và nhiều nguồn trên Internet khác.