Растяжимая структура

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Сентябрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Первая в мире стальная оболочка из растянутой стали. Автор Владимир Шухов (во время строительства), Нижний Новгород , 1895 г.

Сидни Майер Музыка Bowl в Кингс домена, Мельбурн

Структура при растяжении является конструкцией элементов , несущих только напряжение и никакого сжатия или изгибающими . Термин « растяжение» не следует путать с тенсегрити , который представляет собой конструктивную форму, включающую как элементы растяжения, так и элементы сжатия. Натяжные конструкции являются наиболее распространенным типом тонкостенных конструкций .

Большинство натяжных конструкций поддерживаются некоторыми формами элементов сжатия или изгиба, такими как мачты (как в O ₂ , ранее Millennium Dome ), компрессионные кольца или балки.

Структура на разрыв мембраны наиболее часто используются в качестве кровли , так как они могут экономично и привлекательно охватывать большие расстояния. Натяжные мембранные конструкции могут также использоваться в качестве законченных зданий, с некоторыми распространенными применениями, такими как спортивные сооружения, складские помещения и складские помещения, а также выставочные площадки. ^[1]

История [ править ]

Эта форма строительства стала более тщательно проанализирована и получила широкое распространение в крупных сооружениях во второй половине двадцатого века. Натяжные конструкции уже давно используются в палатках , где оттяжные канаты и опоры для палаток обеспечивают предварительное натяжение ткани и позволяют ей выдерживать нагрузки.

Русский инженер Владимир Шухов одним из первых разработал практические расчеты напряжений и деформаций растянутых конструкций, оболочек и мембран. Шухов спроектировал для Нижегородской ярмарки 1896 года восемь выставочных павильонов натяжных конструкций и тонкостенных конструкций площадью 27000 квадратных метров. Более недавнее крупномасштабное использование покрытой мембраной натяжной конструкции - это музыкальная чаша Сидни Майера , построенная в 1958 году.

Антонио Гауди использовал обратную концепцию, чтобы создать структуру только для сжатия для церкви Колония Гуэль . Он создал подвесную модель церкви на растяжение, чтобы рассчитать силы сжатия и экспериментально определить геометрию колонн и свода.

На Олимпийском стадионе в Мюнхене широко используются натяжные кровельные конструкции.

Позднее эта концепция была поддержана немецким архитектором и инженером Фреем Отто , который впервые использовал эту идею при строительстве западногерманского павильона на Экспо 67 в Монреале. Затем Отто использовал идею крыши Олимпийского стадиона для летних Олимпийских игр 1972 года в Мюнхене .

С 1960-х годов натяжные конструкции продвигали такие дизайнеры и инженеры , как Уве Аруп , Буро Хапполд , Уолтер Бёрд из Birdair, Inc. , Фрей Отто , Махмуд Бодо Раш , Ээро Сааринен , Хорст Бергер , Мэтью Новицки , Йорг Шлайх , дуэт от Николая Голдсмит и Тодд Dalland в FTL Design & Engineering Studio , и Дэвид Гейгера .

Постоянный технический прогресс повысил популярность конструкций с тканевой крышей. Небольшой вес материалов делает строительство проще и дешевле, чем стандартные конструкции, особенно когда необходимо покрывать обширные открытые пространства.

Типы конструкций со значительными элементами растяжения [ править ]

Линейные конструкции [ править ]

Подвесные мосты
Напряженный ленточный мост
Драпированные кабели
Вантовые балки или фермы
Кабельные фермы
Прямые натянутые кабели

Трехмерные конструкции [ править ]

Велосипедное колесо (можно использовать как крышу в горизонтальном положении)
3D кабельные фермы
Структуры тенсегрити

Поверхностно-напряженные конструкции [ править ]

Предварительно напряженные мембраны
Пневматически напряженные мембраны
Сетка
Структура ткани

Кабельные и мембранные конструкции [ править ]

Первая в мире стальная мембранная крыша и решетчатая стальная оболочка в Шуховской ротонде , Россия , 1895 г.

Мембранные материалы [ править ]

Обычными материалами для тканевых структур с двойным изгибом являются стекловолокно с покрытием из ПТФЭ и полиэстер с покрытием из ПВХ . Это тканые материалы с разной прочностью в разных направлениях. Эти нити основы волокно (те волокна , которые изначально прямой эквивалент исходных волокон на ткацком станке) может нести большую нагрузку , чем уточные или заполнение волокон, которые сплетенных между волокнами основы.

В других структурах используется пленка ETFE либо в виде однослойной, либо в виде подушки (которую можно надувать для обеспечения хороших изоляционных свойств или эстетического эффекта - как на Allianz Arena в Мюнхене ). Подушки из ETFE также могут быть покрыты рисунком, чтобы пропускать разные уровни света при надувании до разных уровней.

При дневном свете прозрачность тканевой мембраны создает мягкие рассеянные пространства с естественным освещением, а ночью можно использовать искусственное освещение для создания естественного внешнего свечения. Чаще всего они поддерживаются структурным каркасом, поскольку они не могут получить свою прочность из-за двойной кривизны. ^[2]

Простой подвесной мост, работающий полностью под напряжением

Кабели [ править ]

Кабели могут быть из мягкой стали , высокопрочной стали (тянутая углеродистая сталь), нержавеющей стали , полиэфирных или арамидных волокон . Структурные кабели состоят из серии небольших прядей, скрученных или связанных вместе, чтобы сформировать кабель гораздо большего размера. Стальные кабели представляют собой либо спиральную прядь, где круглые стержни скручены вместе и «склеены» с помощью полимера, либо запертую спиральную прядь, где отдельные стальные переплетенные пряди образуют кабель (часто со спиральным сердечником).

Спиральная нить немного слабее, чем запертая спиральная нить. Стальные спирально-прядные кабели имеют модуль Юнга E , равный 150 ± 10 кН / мм² (или 150 ± 10 ГПа ), и бывают диаметрами от 3 до 90 мм. ^{[ необходима цитата ]} Спиральная прядь страдает от растяжения конструкции, когда пряди сжимаются при нагрузке на кабель. Обычно это устраняется путем предварительного растяжения кабеля и циклического увеличения и уменьшения нагрузки до 45% от предельной растягивающей нагрузки.

Стренга закрытого рулона обычно имеет модуль Юнга 160 ± 10 кН / мм² и бывает диаметром от 20 до 160 мм.

Свойства отдельных прядей из различных материалов показаны в таблице ниже, где UTS - предел прочности на разрыв или разрывная нагрузка:

	E (ГПа)	UTS (МПа)	Штамм на 50% UTS
Твердый стальной стержень	210	400–800	0,24%
Стальная прядь	170	1550–1770	1%
Трос	112	1550–1770	1,5%
Полиэфирное волокно	7,5	910	6%
Арамидное волокно	112	2800	2,5%

Структурные формы [ править ]

Конструкции с воздушной опорой представляют собой форму натяжных конструкций, в которых тканевая оболочка поддерживается только сжатым воздухом.

Большинство тканевых структур черпают свою прочность из-за их формы двойного изгиба. Благодаря тому, что ткань принимает двойную кривизну, ткань приобретает достаточную жесткость, чтобы выдерживать нагрузки, которым она подвергается (например, ветровые и снеговые нагрузки). Для того , чтобы индуцировать адекватно двумерна искривленную форму , что является наиболее часто возникает необходимость предварительного натяжения или предварительное напряжение ткани или ее опорную конструкцию.

Поиск формы [ править ]

Поведение конструкций, достижение прочности которых зависит от предварительного напряжения, является нелинейным, поэтому до 1990-х годов было очень трудно спроектировать что-либо, кроме очень простого кабеля. Самым распространенным способом проектирования двояко изогнутых структур из ткани было построение масштабных моделей окончательных построек, чтобы понять их поведение и провести упражнения по поиску формы. В таких масштабных моделях часто использовался чулок, колготки или мыльная пленка, так как они ведут себя очень похоже на структурные ткани (они не выдерживают сдвига).

Мыльные пленки имеют равномерное напряжение во всех направлениях и для их образования требуется замкнутая граница. Они естественным образом образуют минимальную поверхность - форму с минимальной площадью и воплощением минимальной энергии. Однако их очень трудно измерить. Для большой пленки ее вес может серьезно повлиять на ее форму.

Для мембраны с кривизной в двух направлениях основное уравнение равновесия:

{\ displaystyle w = {\ frac {t_ {1}} {R_ {1}}} + {\ frac {t_ {2}} {R_ {2}}}}

где:

R ₁ и R ₂ - главные радиусы кривизны мыльных пленок или направления основы и утка для тканей.
t ₁ и t ₂ - напряжения в соответствующих направлениях
w - нагрузка на квадратный метр

Линии главной кривизны не имеют закрутки и пересекают другие линии главной кривизны под прямым углом.

Геодезическая или геодезическая линия, как правило , самая короткая линия между двумя точками на поверхности. Эти линии обычно используются при определении линий шва рисунка раскроя. Это связано с их относительной прямолинейностью после создания плоских полотен, что приводит к меньшему расходу ткани и более точному совпадению с переплетением ткани.

На предварительно напряженной, но ненагруженной поверхности w = 0, поэтому . ${\ displaystyle {\ frac {t_ {1}} {R_ {1}}} = - {\ frac {t_ {2}} {R_ {2}}}}$

В мыльной пленке поверхностное натяжение одинаково в обоих направлениях, поэтому R ₁ = - R ₂ .

Теперь можно использовать мощные программы нелинейного численного анализа (или анализ методом конечных элементов ) для поиска и проектирования тканевых и кабельных конструкций. Программы должны допускать большие отклонения.

Окончательная форма или форма структуры ткани зависит от:

форма или узор ткани
геометрия несущей конструкции (например, мачты, тросы, кольцевые балки и т. д.)
предварительное натяжение ткани или ее несущей конструкции

Гиперболический параболоид

Важно, чтобы окончательная форма не допускала скопления воды, так как это может деформировать мембрану и привести к локальному разрушению или прогрессирующему разрушению всей конструкции.

Снеговая нагрузка может стать серьезной проблемой для мембранной конструкции, поскольку снег часто не будет стекать с конструкции, как вода. Например, в прошлом это вызвало (временное) обрушение Метродома Хьюберта Х. Хамфри , надуваемого воздухом сооружения в Миннеаполисе, Миннесота . Некоторые конструкции, склонные к образованию прудов, используют обогрев, чтобы растапливать оседающий на них снег.

Форма седла

Существует много различных форм с двойной кривизной, многие из которых обладают особыми математическими свойствами. Самая основная форма с двойным изгибом - это форма седла, которая может быть гиперболическим параболоидом (не все формы седла являются гиперболическими параболоидами). Это поверхность с двойной линейчатостью, которая часто используется как в легких структурах оболочки (см. Структуры гиперболоида )). Истинные линейчатые поверхности редко встречаются в натяжных конструкциях. Другие формы - это антикластические седла, различные радиальные, конические формы палаток и любые их комбинации.

Претензия [ править ]

Предварительное напряжение - это напряжение, искусственно созданное в элементах конструкции в дополнение к любому собственному весу или приложенным нагрузкам, которые они могут нести. Он используется для обеспечения того, чтобы обычно очень гибкие элементы конструкции оставались жесткими при всех возможных нагрузках. ^[3]^[4]

Повседневным примером предварительного натяжения является стеллаж, поддерживаемый проводами, идущими от пола до потолка. Провода удерживают полки на месте, потому что они натянуты - если бы провода были провисшими, система не работала бы.

Предварительное натяжение может быть применено к мембране, растягивая ее с краев или предварительно натягивая тросы, которые поддерживают ее и, следовательно, изменяют ее форму. Уровень приложенного предварительного натяжения определяет форму мембранной конструкции.

Альтернативный подход к поиску формы [ править ]

Альтернативный приближенный подход к решению задачи нахождения формы основан на общем балансе энергии сеточно-узловой системы. Из-за своего физического смысла этот подход называется методом растянутой сетки (SGM) .

Простая математика кабелей [ править ]

Поперечно и равномерно нагруженный кабель [ править ]

Равномерно нагруженный кабель, проложенный между двумя опорами, образует промежуточную кривую между цепной кривой и параболой . Можно сделать упрощающее предположение, что он приближается к дуге окружности (радиуса R ).

По равновесию :

Горизонтальные и вертикальные реакции:

{\ displaystyle H = {\ frac {wS ^ {2}} {8d}}}

{\ displaystyle V = {\ frac {wS} {2}}}

По геометрии :

Длина кабеля:

{\ Displaystyle L = 2R \ arcsin {\ frac {S} {2R}}}

Напряжение в тросе:

{\ displaystyle T = {\ sqrt {H ^ {2} + V ^ {2}}}}

Путем замены:

T={\sqrt {\left({\frac {wS^{2}}{8d}}\right)^{2}+\left({\frac {wS}{2}}\right)^{2}}}

Напряжение также равно:

T=wR

Удлинение кабеля при нагрузке составляет (из закона Гука , где осевая жесткость k равна ): $k={\frac {EA}{L}}$

e={\frac {TL}{EA}}

где Е представляет собой модуль Юнга кабеля и является ее поперечное сечение площадью .

Если к кабелю добавляется первоначальное предварительное натяжение, удлинитель становится: $T_{0}$

e=L-L_{0}={\frac {L_{0}(T-T_{0})}{EA}}

Объединение приведенных выше уравнений дает:

{\frac {L_{0}(T-T_{0})}{EA}}+L_{0}={\frac {2T\arcsin \left({\frac {wS}{2T}}\right)}{w}}

Построив левую часть этого уравнения в зависимости от T и отложив правую часть на тех же осях, также и в зависимости от T, пересечение даст фактическое равновесное натяжение в канате для данной нагрузки w и данного предварительного натяжения . $T_{0}$

Кабель с центральной точечной нагрузкой [ править ]

Решение, аналогичное приведенному выше, может быть получено, если:

По равновесию:

W={\frac {4Td}{L}}

d={\frac {WL}{4T}}

По геометрии:

L={\sqrt {S^{2}+4d^{2}}}={\sqrt {S^{2}+4\left({\frac {WL}{4T}}\right)^{2}}}

Это дает следующие отношения:

L_{0}+{\frac {L_{0}(T-T_{0})}{EA}}={\sqrt {S^{2}+4\left({\frac {W(L_{0}+{\frac {L_{0}(T-T_{0})}{EA}})}{4T}}\right)^{2}}}

Как и прежде, откладывая левую часть и правую часть уравнения против напряженности, Т, дадут равновесное напряжение для данного предварительного натяжения, и нагрузок, Вт . $T_{0}$

Колебания натянутого кабеля [ править ]

Фундаментальная собственная частота , F ₁ из ната кабелей определяются по формуле:

f_{1}={\frac {\sqrt {\left({\frac {T}{m}}\right)}}{2L}}

где T = натяжение в ньютонах , m = масса в килограммах и L = длина пролета.

Известные сооружения [ править ]

Шуховская ротонда , Россия , 1896 г.
Канада Плейс , Ванкувер , Британская Колумбия для Expo '86
Yoyogi Национальная гимназия по Кензо Танге , Ёёги Парк , Токио , Япония
Каток Ingalls , Йельский университет , Ээро Сааринен
Развлекательный центр Хан Шатыры , Нур-Султан, Казахстан
Тропикана Филд , Санкт-Петербург , Флорида
Olympiapark , Мюнхен по Frei Otto
Sidney Myer Music Bowl , Мельбурн
The O 2 (ранее Millennium Dome ), Лондон , Buro Happold and Richard Rogers Partnership
Международный аэропорт Денвера , Денвер
Дортон Арена , Роли
Дом Джорджии , Атланта , Джорджия, компания Heery and Weidlinger Associates (снесена в 2017 году)
Международный аэропорт Грантли Адамс , Крайст-Черч , Барбадос
Pengrowth Saddledome , Калгари от Graham McCourt Architects и Jan Bobrowski and Partners
Скандинавий , Гётеборг , Швеция
Гонконгский музей береговой обороны
Модернизация Центрального железнодорожного вокзала , София , Болгария
Redbird Arena , Государственный университет Иллинойса , Нормал, Иллинойс
Выдвижные зонты, Аль-Масджид ан-Набави , Медина, Саудовская Аравия
Башня Киллесберг , Штутгарт

Галерея известных натяжных конструкций [ править ]

Натяжные конструкции крыши от Фрея Отто Олимпийского парка , Мюнхен
Купол тысячелетия (ныне O ₂ ), Лондон , по Buro Happold и Ричард Роджерс
Терминал международного аэропорта Денвера
THTR-300 Кабель-чистая сухая градирня , гиперболоид структура по Schlaich Bergermann & Партнер
Башня Киллесберг, Штутгарт, компания Schlaich Bergermann Partner
Купол Джорджии в Атланте
Большие выдвижные зонты перед Святой мечетью Пророка в Медине от SL Rasch GmbH. Специальные и легкие конструкции.
Дневные компьютер делают из Хан Шатыр , самая высокая структура растяжения в мире

Классификационные номера [ править ]

Институт строительных спецификаций (CSI) и Строительные спецификации Канады (CSC), MasterFormat 2018 Edition, Division 05 и 13:

05 16 00 - Структурная кабельная разводка
05 19 00 - Сборки натяжных стержней и тросовых ферм
13 31 00 - Структуры из ткани
13 31 23 - Натянутые тканевые конструкции
13 31 33 - Каркасные тканевые конструкции

CSI / CSC MasterFormat, выпуск 1995 г .:

13120 - Кабельные конструкции
13120 - Структуры ткани

См. Также [ править ]

Бакминстер Фуллер
Гауссова кривизна
Геодезический купол
Геодезические
Гиперболоидная структура
Карлис Йохансонс
Кеннет Снельсон
Подвесной мост
Тенсарность
Тенсегрити
Трос

Ссылки [ править ]

^ plc, Коллинсон. «Конструкции из растяжимой ткани: полное руководство (новинка 2018 года)» . info.collinson.co.uk . Проверено 2 июля 2018 .
^ "Подпружиненный" . Армейские технологии .
^ Quagliaroli, M .; Malerba, PG; Альбертин, А .; Поллини, Н. (01.12.2015). «Роль предварительного напряжения и его оптимизация при проектировании кабельных куполов» . Компьютеры и конструкции . 161 : 17–30. DOI : 10.1016 / j.compstruc.2015.08.017 . ISSN 0045-7949 .
^ Альбертин, А; Malerba, P; Pollini, N; Quagliaroli, M (2012-06-21), "оптимизация предстрессовый гибридных конструкций на растяжение" , мост Техническое обслуживание, безопасность, управление, устойчивость и устойчивость ., CRC Press, стр 1750-1757, DOI : 10,1201 / b12352-256 , ISBN 978-0-415-62124-3, получено 30.06.2020

Дальнейшее чтение [ править ]

«Нижегородская выставка: Водонапорная башня, строящееся помещение, пружина пролетом 91 фут», «Инженер» , № 19.3.1897, С.292-294, Лондон, 1897.
Хорст Бергер , Световые структуры, световые структуры: Искусство и инженерия растянутой архитектуры (Birkhäuser Verlag, 1996) ISBN 3-7643-5352-X
Алан Холгейт, Искусство структурной инженерии: работа Йорга Шлайха и его команды (Книги Британии, 1996) ISBN 3-930698-67-6
Элизабет Купер Английский язык : «Архитектура и мысли»: Истоки советской авангардной рационалистической архитектуры в русской мистико-философской и математической интеллектуальной традиции » , диссертация по архитектуре, 264 стр., Пенсильванский университет, 2000.
"Владимир Г. Сухов 1853–1939. Die Kunst der sparsamen Konstruktion.", Райнер Грефе, Jos Tomlow und andere, 192 S., Deutsche Verlags-Anstalt, Штутгарт, 1990, ISBN 3-421-02984-9 .

Викискладе есть медиафайлы по теме натяжных конструкций .

Конрад Роланд : Фрей Отто - Spannweiten. Ideen und Versuche zum Leichtbau . Ein Werkstattbericht von Conrad Roland. Ульштайн, Берлин, Франкфурт-на-Майне и Вена, 1965.
Фрей Отто, Бодо Раш: поиск формы - к архитектуре минимализма , издание Акселя Менгеса, 1996, ISBN 3930698668
Нердингер, Винфрид: Фрей Отто. Das Gesamtwerk: Leicht Bauen Natürlich Gestalten, 2005, ISBN 3-7643-7233-8

[1] , Коллинсон. «Конструкции из растяжимой ткани: полное руководство (новинка 2018 года)» . info.collinson.co.uk . Проверено 2 июля 2018 .

[2] "Подпружиненный" . Армейские технологии .

[3] Quagliaroli, M .; Malerba, PG; Альбертин, А .; Поллини, Н. (01.12.2015). «Роль предварительного напряжения и его оптимизация при проектировании кабельных куполов» . Компьютеры и конструкции . 161 : 17–30. DOI : 10.1016 / j.compstruc.2015.08.017 . ISSN 0045-7949 .

[4] Альбертин, А; Malerba, P; Pollini, N; Quagliaroli, M (2012-06-21), "оптимизация предстрессовый гибридных конструкций на растяжение" , мост Техническое обслуживание, безопасность, управление, устойчивость и устойчивость ., CRC Press, стр 1750-1757, DOI : 10,1201 / b12352-256 , ISBN 978-0-415-62124-3, получено 30.06.2020

[1]