Szakítószerkezet - Tensile structure

A húzószerkezet olyan elemek felépítése , amelyek csak feszültséget hordoznak, és nincsenek összenyomva vagy hajlítva . A kifejezés szakító nem szabad összetéveszteni a tensegrity , amely egy szerkezeti forma húzásnak és nyomásnak elemek. A húzószerkezetek a vékonyréteg-szerkezetek leggyakoribb típusai .

A legtöbb húzószerkezetet valamilyen nyomó- vagy hajlítóelem támasztja alá, például árbocok (mint az O _2-ban , korábban a Millennium Dome-ban ), nyomógyűrűk vagy gerendák.

A húzási membrán szerkezetet a leggyakrabban használt, mint egy tető , mivel azok gazdaságilag és esztétikusan span nagy távolságok. A szakítószilárdságú membránszerkezetek komplett épületekként is használhatók, néhány gyakori alkalmazásként sportlétesítmények, raktár- és raktárépületek, valamint kiállítási helyek.

Történelem

Ez az építkezési forma a huszadik század második felében csak szigorúbban elemződött és terjedt el nagy szerkezetekben. A húzószerkezeteket már régóta használják a sátrakban , ahol a srác kötelek és sátoroszlopok előfeszítést biztosítanak a szövet számára, és lehetővé teszik, hogy ellenálljon a terhelésnek.

Vlagyimir Suhov orosz mérnök az elsők között dolgozta ki a szakítószerkezetek, héjak és membránok feszültségeinek és alakváltozásainak gyakorlati számítását. Shukhov nyolc húzószerkezetet és vékony héjú szerkezetű kiállítási pavilont tervezett az 1896-os Nyizsnyij Novgorod-vásárra , 27 000 négyzetméteren. A membránnal borított húzószerkezet újabb nagyszabású alkalmazása a Sidney Myer Music Bowl , amelyet 1958-ban építettek.

Antonio Gaudi fordítva használta ezt a koncepciót, hogy csak a tömörítéshez szükséges struktúrát hozzon létre a Colonia Guell-templom számára . Létrehozta a templom függesztett húzó modelljét a nyomóerők kiszámításához, valamint az oszlop és a boltozat geometriájának kísérleti meghatározásához.

A koncepciót később Frei Otto német építész és mérnök támogatta , akinek első ötletét a montreali Expo 67-es nyugatnémet pavilon építése jelentette . Otto következő használt az ötletet a tető az olimpiai stadion a 1972-es nyári olimpián a müncheni .

1960 óta, szakító struktúrák jöttek támogatni tervezők és mérnökök , mint Ove Arup , Büro Happold , Walter madár Birdair, Inc. , Frei Otto , Mahmoud Bodo Rasch , Eero Saarinen , Horst Berger , Matthew Nowicki , Jörg Schlaich , a duó a Nicholas Goldsmith & Todd Dalland meg FTL design & Engineering Studio és David Geiger .

Az egyenletes technológiai fejlődés megnövelte a szövettetős szerkezetek népszerűségét. Az anyagok alacsony súlya megkönnyíti és olcsóbbá teszi az építkezést, mint a szokásos kivitel, különösen, ha hatalmas szabad tereket kell lefedni.

Jelentős feszültségtagú szerkezettípusok

Lineáris szerkezetek

• Felfüggesztések
• Hangsúlyozta szalag híd
• Kábelek
• Ferdekábeles gerendák vagy fürtös
• Kábeltartók
• Egyenesen feszített kábelek

Háromdimenziós struktúrák

• Kerékpár kerék (tetőként használható vízszintes helyzetben)
• 3D kábeltartók
• Tensegrity struktúrák

Felületi feszültség alatt álló szerkezetek

• Előfeszített membránok
• Pneumatikusan megterhelt membránok
• Rácshéj
• Szövet szerkezete

Kábel- és membránszerkezetek

Membrán anyagok

A kettősen ívelt szövetszerkezetek általános anyagai a PTFE bevonatú üvegszál és a PVC bevonatú poliészter . Ezek különböző erősségű, különböző irányú szövött anyagok. A láncszálak (azok a rostok, amelyek eredetileg egyenesek - ekvivalensek a szövőszékben lévő kiindulási szálakkal) nagyobb terhelést képesek hordozni, mint a vetülék- vagy töltőszálak, amelyeket a láncszálak között szőttek.

Egyéb szerkezetek igénybe ETFE film, vagy egyetlen rétegben vagy párna formában (amely lehet felfújni, hogy jó hőszigetelő tulajdonságokkal vagy esztétikai hatást-, mint a Allianz Arena in München ). Az ETFE párnák mintákkal is bevéshetők annak érdekében, hogy a különböző fényszinteket különböző szintekre fújva engedjék át.

Nappali fényben a szövetmembrán áttetszősége puha, szórt, természetes megvilágítású helyeket kínál, míg éjszaka mesterséges megvilágítással lehet létrehozni a környező külső lumineszcenciát. Leggyakrabban egy szerkezeti keret támasztja alá őket, mivel nem tudják megszerezni erejüket a kettős görbületből.

Kábelek

A kábelek lehetnek enyhe acélból , nagy szilárdságú acélból (húzott szénacélból), rozsdamentes acélból , poliészterből vagy aramid szálakból . A szerkezeti kábelek kis szálak sorozatából készülnek, amelyek sodorva vagy összekötve sokkal nagyobb kábelt alkotnak. Az acélkábelek vagy spirálszálak, ahol a kör alakú rudakat összecsavarják és "összeragasztják" egy polimer alkalmazásával, vagy reteszelt tekercsszálak, ahol az egyes reteszelő acélszálak alkotják a kábelt (gyakran spirálszálú maggal).

A spirálszál valamivel gyengébb, mint a lezárt tekercsszál. Acél spirál szál kábel van Young-modulusa , E 150 ± 10 kN / mm² (vagy 150 ± 10 GPa ), és jönnek méretben 3-90 mm átmérőjű. A spirálszalag olyan szerkezeti nyúlást szenved, ahol a kábelek megterhelésekor a szálak tömörülnek. Ezt általában úgy távolítják el, hogy a kábelt előre meghúzják, és a terhelést felfelé és lefelé mozgatják a maximális húzóterhelés 45% -áig.

A lezárt tekercsszálak Young modulja általában 160 ± 10 kN / mm², és 20–160 mm átmérőjűek.

A különféle anyagokból álló szálak tulajdonságait az alábbi táblázat mutatja, ahol az UTS a végső szakítószilárdság vagy szakítóterhelés:

Kábel anyaga	E (GPa)	UTS (MPa)	Törzs az UTS 50% -ánál
Tömör acélrúd	210	400–800	0,24%
Acélszál	170	1550–1770	1%
Drótkötél	112	1550–1770	1,5%
Poliészter szál	7.5	910	6%
Aramid szál	112	2800	2,5%

Szerkezeti formák

A levegővel megtámasztott szerkezetek a húzószerkezetek egyik formája, ahol a szövet burkolatát csak nyomás alatt álló levegő támasztja alá.

A szövetszerkezetek többsége kétszeresen ívelt alakjából nyeri szilárdságát. Azáltal, hogy a szövetet kettős görbületre kényszeríti, a szövet elegendő merevséget nyer, hogy ellenálljon a terhelésnek (például szél- és hóterhelésnek ). A megfelelően kétszeresen ívelt forma kiváltásához leggyakrabban a szövet vagy annak tartószerkezetének előfeszítése vagy előfeszítése szükséges.

Formakeresés

Azok a szerkezetek, amelyek szilárdságának eléréséhez az előfeszítés függ, nem lineáris, így az 1990-es évekig nagyon nehéz volt kivitelezni egy nagyon egyszerű kábeltől eltérő dolgot. A kétszeresen ívelt szövetszerkezetek tervezésének leggyakoribb módja a végleges épületek méretarányos modelljeinek elkészítése volt, hogy megértsék viselkedésüket és formakereső gyakorlatokat hajtsanak végre. Az ilyen méretarányos modellekben gyakran harisnyanadrágot vagy harisnyanadrágot vagy szappanfóliát alkalmaztak, mivel nagyon hasonló módon viselkednek, mint a szerkezeti szövetek (nem képesek nyírást viselni).

A szappanfóliák minden irányban egyenletes feszültséggel bírnak, és kialakulásukhoz zárt határ szükséges. Természetesen minimális felületet alkotnak - a forma minimális felületű és minimális energiát testesít meg. Ezeket azonban nagyon nehéz megmérni. Egy nagy film esetében súlya komolyan befolyásolhatja formáját.

Kétirányú görbületű membrán esetében az egyensúlyi egyenlet a következő:

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

hol:

• R ₁ és R ₂ a szappanfóliák fő görbületi sugara, a szöveteknél pedig a lánc és vetülék iránya
• t ₁ és t ₂ a megfelelő irányú feszültségek
• w a négyzetméterre eső terhelés

A főgörbületű vonalaknak nincs csavarásuk, és derékszögben metszik a többi főgörbület vonalát.

A geodéziai vagy geodéziai vonal általában a legrövidebb vonal a felszín két pontja között. Ezeket a vonalakat általában a vágási mintázat varratvonalainak meghatározásakor használják. Ez annak köszönhető, hogy viszonylag egyenesek a sík kendők keletkezése után, ami alacsonyabb ruhanemű-pazarlást és szorosabb illeszkedést eredményez a szövet szövésével.

Előfeszített, de terheletlen felületen w = 0, tehát . ${\ displaystyle {\ frac {t_ {1}} {R_ {1}}} = - {\ frac {t_ {2}} {R_ {2}}}}$

Egy szappanfilmben a felületi feszültségek mindkét irányban egyenletesek, tehát R ₁ = - R ₂ .

Most már lehetőség nyílik erőteljes, nem lineáris numerikus elemzési programok (vagy végeselemzés ) alkalmazására a szövet- és kábelszerkezetek kialakításához és tervezéséhez. A programoknak nagy eltéréseket kell lehetővé tenniük.

A szövetszerkezet végső alakja vagy alakja a következőktől függ:

• a szövet alakja vagy mintája
• a tartószerkezet geometriája (például árbocok, kábelek, gerendák stb.)
• a szövetre vagy annak tartószerkezetére alkalmazott előfeszítés

Fontos, hogy a végleges forma ne tegye lehetővé a víz vizelését , mivel ez deformálhatja a membránt, és helyi meghibásodáshoz vagy a teljes szerkezet progresszív meghibásodásához vezethet.

A hóterhelés komoly problémát jelenthet a membránszerkezet számára, mivel a hó gyakran nem úgy folyik le a szerkezetről, mint a víz. Például ez a múltban a Hubert H. Humphrey Metrodome (ideiglenes) összeomlását okozta , egy levegővel felfújt szerkezet Minneapolisban (Minnesota) . Egyes struktúrák, amelyek hajlamosak a túrázásra, fűtést alkalmaznak a rájuk telepedő hó olvadására.

Sokféle kettősen ívelt forma létezik, amelyek közül sok különleges matematikai tulajdonsággal rendelkezik. A legalapvetõbben kétszeresen görbült a nyereg alakja, amely hiperbolikus paraboloid lehet (nem minden nyereg forma hiperbolikus paraboloid). Ez egy kettős szabályozott felület, és gyakran használják mind a könnyű héjszerkezeteknél (lásd hiperboloid szerkezetek ). A húzószerkezetekben ritkán találhatók meg az igaz szabályozott felületek. További formák az anticlastikus nyergek, a különféle radiális, kúpos sátrak és ezek bármilyen kombinációja.

Igény

Az előfeszítés a szerkezeti elemekben mesterségesen előidézett feszültség, az esetleges önsúly vagy terhelés mellett. Arra szolgál, hogy az általában nagyon rugalmas szerkezeti elemek merevek maradjanak minden lehetséges terhelés alatt.

Az előfeszítés mindennapos példája egy polcegység, amelyet a padlótól a mennyezetig tartó vezetékek támogatnak. A huzalok a helyükön tartják a polcokat, mert megfeszülnek - ha a vezetékek meglazulnának, a rendszer nem működne.

Az előfeszítés alkalmazható a membránra úgy, hogy kinyújtja annak széleit, vagy olyan előfeszítésekkel, amelyek támasztják alá és így megváltoztatják alakját. Az alkalmazott előfeszítés szintje határozza meg a membránszerkezet alakját.

Alternatív formakereső megközelítés

A formakereső problémamegoldás alternatív közelített megközelítése egy rács-csomópont rendszer teljes energia-egyensúlyán alapul. Fizikai jelentése miatt ezt a megközelítést Stretched Grid Methodnak (SGM) nevezik .

A kábelek egyszerű matematikája

Keresztirányban és egyenletesen terhelt kábel

A két tartó között egyenletesen megterhelt kábel görbét képez a felsővezeték görbe és a parabola között . Az egyszerűsítő feltételezés feltételezhető, hogy közelít egy körívhez ( R sugarú ).

By egyensúly :

A vízszintes és függőleges reakciók:

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

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

By geometria :

A kábel hossza:

${\ displaystyle L = 2R \ arcsin {\ frac {S} {2R}}}$

A kábel feszültsége:

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

Cserével:

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

A feszültség szintén egyenlő:

${\ displaystyle T = wR}$

A kábel meghosszabbítása terheléskor ( Hooke törvényéből származik , ahol a tengelyirányú merevség, k egyenlő ): ${\ displaystyle k = {\ frac {EA} {L}}}$

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

ahol E jelentése a Young modulus a kábel és A jelentése a keresztmetszeti terület .

Ha kezdeti előfeszítést adunk a kábelhez, akkor a hosszabbító a következõvé válik: ${\ displaystyle T_ {0}}$

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

A fenti egyenletek összevonása:

${\ displaystyle {\ frac {L_ {0} (T-T_ {0})} {EA}} + L_ {0} = {\ frac {2T \ arcsin \ bal ({\ frac {wS} {2T}} \ jobbra)} {w}}}$

Ha ennek az egyenletnek a bal oldalát T-vel ábrázoljuk , és a jobb oldalt ugyanazokra a tengelyekre ábrázoljuk, szintén T-vel, akkor a metszéspont megadja a kábel tényleges egyensúlyi feszültségét egy adott w terhelésre és egy adott előfeszítésre . ${\ displaystyle T_ {0}}$

Kábel középpontos terheléssel

A fentihez hasonló megoldás levezethető, ha:

Egyensúly szerint:

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

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

Geometria szerint:

${\ displaystyle L = {\ sqrt {S ^ {2} + 4d ^ {2}}} = {\ sqrt {S ^ {2} +4 \ bal ({\ frac {WL} {4T}} \ jobb) ^ {2}}}}$

Ez a következő kapcsolatot adja:

${\ displaystyle L_ {0} + {\ frac {L_ {0} (T-T_ {0})} {EA}} = {\ sqrt {S ^ {2} +4 \ bal ({\ frac {W ( L_ {0} + {\ frac {L_ {0} (T-T_ {0})} {EA}})} {4T}} \ jobbra ^ ^ {2}}}}$

Mint korábban, hogy ábrázoltuk a bal oldali és a jobb oldali az egyenlet ellen a feszültséget, T, megadja az egyensúlyi feszültséget egy adott előfeszítő, és a terhelés, W . ${\ displaystyle T_ {0}}$

Feszített kábellengések

A feszített kábelek természetes természetes frekvenciáját , f _1, a

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

ahol T = feszültség newtonokban , m = tömeg kilogrammokban és L = fesztávolság.

Nevezetes struktúrák

• Shukhov Rotunda , Oroszország , 1896
• Canada Place , Vancouver , Brit Columbia az Expo '86 -ra
• Yoyogi Nemzeti Gimnázium , Kenzo Tange , Yoyogi Park , Tokió , Japán
• Ingalls Rink , Yale Egyetem , Eero Saarinen
• Khan Shatyry Szórakoztató Központ , Nur-Sultan, Kazahsztán
• Tropicana mező , St. Petersburg , Florida
• Olympiapark , München , Frei Ottó
• Sidney Myer Music Bowl , Melbourne
• Az O ₂ (korábban Millennium Dome ), London , Buro Happold és Richard Rogers Partnerség
• Denveri nemzetközi repülőtér , Denver
• Dorton Aréna , Raleigh
• Georgia Dome , Atlanta , Georgia , írta : Heery and Weidlinger Associates (lebontották 2017-ben)
• Grantley Adams nemzetközi repülőtér , Christ Church , Barbados
• Pengrowth Saddledome , Calgary által Graham McCourt Építészek és Jan Bobrowski és Társai
• Scandinavium , Göteborg , Svédország
• Hongkongi Partvédelmi Múzeum
• A központi vasútállomás korszerűsítése , Szófia , Bulgária
• Redbird Arena , Illinois Állami Egyetem , Normal, Illinois
• Behúzható napernyők, Al-Masjid an-Nabawi , Medina, Szaúd-Arábia
• Killesberg-torony , Stuttgart

Galéria jól ismert szakítószerkezetekről

• 

  A tető húzó szerkezetek Frei Otto a Olympiaparktól , München

• 

  A Millennium Dome (most A O ₂ ), London , által Büro Happold és Richard Rogers

• 

  Denver nemzetközi repülőtér terminálja

• 

  A THTR-300 kábelhálós szárazhűtő torony , hiperboloid szerkezet , Schlaich Bergermann & Partner

• 

  Killesberg-torony, Stuttgart, Schlaich Bergermann Partner

• 

  Georgia Dome in Atlanta

• 

  Nagy visszahúzható napernyők a próféta szent mecsetje előtt Medinában, az SL Rasch GmbH különleges és könnyű szerkezetek

• 

  A Khan Shatyr Entertainment Center nappali számítógépes renderelése , a világ legmagasabb szakítószilárdsága

Osztályozási számok

A Construction Specifications Institute (CSI) és a Construction Specifications Canada (CSC), a MasterFormat 2018 Edition, 05. és 13. osztály:

• 05 16 00 - Szerkezeti kábelezés
• 05 19 00 - Feszítő rudak és kábelrácsos szerelvények
• 13 31 00 - szövetszerkezetek
• 13 31 23 - Feszített szövetszerkezetek
• 13 31 33 - Keretes szövetszerkezetek

CSI / CSC MasterFormat 1995 Edition:

• 13120 - Kábeltámasztott szerkezetek
• 13120 - szövetszerkezetek

Lásd még

• Buckminster Fuller
• Gauss-görbület
• Geodéziai kupola
• Geodézia
• Hiperboloid szerkezet
• Kārlis Johansons
• Kenneth Snelson
• Függőhíd
• Tensairity
• Tensegrity
• Drótkötél

Hivatkozások

További irodalom

• "A Nijni-Novgorod kiállítás: víztorony, építés alatt álló szoba, 91 lábfesztávolságú rugó ", "A mérnök" , 1897. 19. 19, P.292-294, London, 1897.
• Horst Berger , Fényszerkezetek, fényszerkezetek : A szakító építészet művészete és mérnöki munkája (Birkhäuser Verlag, 1996) ISBN  3-7643-5352-X
• Alan Holgate, A szerkezetépítés művészete: Jorg Schlaich és csapata munkája (Books Britain, 1996) ISBN  3-930698-67-6
• Elizabeth Cooper angol : "Arkhitektura i mnimosti": A szovjet avantgárd racionalista építészet eredete az orosz misztikus-filozófiai és matematikai szellemi hagyományban " , építészeti értekezés, 264 p., Pennsylvaniai Egyetem, 2000.
• "Vladimir G. Suchov 1853–1939. Die Kunst der sparsamen Konstruktion.", Rainer Graefe, Jos Tomlow und andere, 192 S., Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 1990, ISBN  3-421-02984-9 .

• Conrad Roland : Frei Ottó - Spannweiten. Ideen und Versuche zum Leichtbau . Ein Werkstattbericht von Conrad Roland. Ullstein, Berlin, Frankfurt / Main und Wien 1965.
• Frei Otto, Bodo Rasch: Forma megtalálása - A minimális építészet felé, Axel Menges kiadás, 1996, ISBN  3930698668
• Nerdinger, Winfried: Frei Ottó. Das Gesamtwerk: Leicht Bauen Natürlich Gestalten , 2005, ISBN  3-7643-7233-8