Растяжимая структура - Tensile structure

Первая в мире эластичная сталь Ракушка к Владимир Шухов (во время строительства), Нижний Новгород, 1895

В Сидни Майер Music Bowl в Kings Domain, Мельбурн

А натяжная конструкция это строительство элементов, несущих только напряжение и нет сжатие или же изгиб. Период, термин растяжение не следует путать с тенсегрити, которая представляет собой конструктивную форму с элементами растяжения и сжатия. Растянутые конструкции являются наиболее распространенным типом тонкостенные конструкции.

Большинство натяжных конструкций поддерживаются элементами сжатия или изгиба в той или иной форме, такими как мачты (как в О₂, ранее Купол тысячелетия ), компрессионные кольца или балки.

А структура натяжной мембраны чаще всего используется как крыша, поскольку они могут экономично и привлекательно преодолевать большие расстояния. Натяжные мембранные конструкции могут также использоваться в качестве законченных зданий, причем некоторые из наиболее распространенных областей применения - это спортивные сооружения, складские помещения и складские помещения, а также выставочные площадки.^[1]

История

Эта форма строительства стала более тщательно проанализирована и получила широкое распространение в крупных сооружениях во второй половине двадцатого века. Натяжные конструкции издавна используются в палатки, где веревки а палаточные столбы 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 восемь натяжных конструкций и тонкостенные конструкции выставочные павильоны для Нижегородская ярмарка 1896 г., площадью 27 000 квадратных метров. Более недавнее крупномасштабное использование натяжной конструкции, покрытой мембраной, - это Сидни Майер Music Bowl, построенный в 1958 году.

Антонио Гауди использовали обратную концепцию, чтобы создать структуру только для сжатия для Церковь Колония Гуэль. Он создал подвесную растягивающую модель церкви для расчета сил сжатия и экспериментального определения геометрии колонн и свода.

В Олимпийский стадион в Мюнхене широко используются натяжные кровельные конструкции.

Позднее эта концепция была поддержана Немецкий архитектор и инженер Фрей Отто, чье первое использование идеи было при построении Павильон Западной Германии на Экспо 67 в Монреале. Затем Отто использовал идею крыши Олимпийского стадиона для 1972 летние Олимпийские игры в Мюнхен.

С 1960-х гг. растяжение структуры были продвинуты дизайнеры и инженеры Такие как Уве Аруп, Buro Happold, Уолтер Бёрд из Birdair, Inc., Фрей Отто, Махмуд Бодо Раш, Ээро Сааринен, Хорст Бергер, Мэтью Новицки, Йорг Шлайх, дуэт Николас Голдсмит & Тодд Далланд в Студия дизайна и проектирования FTL и Дэвид Гейгер.

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 с элементами значительного растяжения

Линейные конструкции

• Подвесные мосты
• Драпированные кабели
• Вантовый балки или же фермы
• Кабельные фермы
• Прямые натянутые кабели

Трехмерные конструкции

• Велосипедное колесо (можно использовать как кровлю в горизонтальной ориентации)
• 3D кабельные фермы
• Тенсегрити структуры

Поверхностно-напряженные конструкции

• Предварительно напряженные мембраны
• Пневматически напряженные мембраны
• Сетка
• Структура ткани

Кабельные и мембранные конструкции

Первый в мире стали мембранная крыша и решетчатая сталь ракушка в Шуховская Ротонда, Россия, 1895

Мембранные материалы

Обычные материалы для двояко изогнутых тканевых конструкций: PTFE -покрытый стекловолокно и ПВХ -покрытый полиэстер. Это тканые материалы с разной прочностью в разных направлениях. В деформация волокна (те волокна, которые изначально были прямыми - эквивалент исходным волокнам на ткацком станке) могут нести большую нагрузку, чем уток или волокна наполнителя, которые вплетены между волокнами основы.

Другие структуры используют ETFE пленка, либо в виде однослойной, либо в виде подушки (которую можно надувать для обеспечения хороших изоляционных свойств или эстетического эффекта - как на Альянц Арена в Мюнхен ). Подушки из ETFE также могут быть покрыты рисунком, чтобы пропускать разные уровни света при надувании до разных уровней.

При дневном свете прозрачность тканевой мембраны обеспечивает мягкое рассеянное естественное освещение, 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

Кабели могут быть мягкая сталь, высокопрочная сталь (тянутая углеродистая сталь), нержавеющая сталь, полиэстер или же арамидные волокна. Структурные кабели состоят из серии небольших жил, 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 переплетенные стальные пряди образуют кабель (часто со спиральным сердечником).

Спиральная нить немного слабее, чем запертая спиральная нить. Стальные спирально-прядные кабели имеют Модуль для младших, E 150 ± 10 кН / мм² (или 150 ± 10 ГПа ) и бывают диаметром от 3 до 90 мм.^{[нужна 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 нитей из различных материалов показаны в таблице ниже, где UTS - предел прочности на растяжение, или разрывная нагрузка:

	E (ГПа)	UTS (МПа)	Напряжение на 50% ЕТС
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

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. Заставляя ткань принимать двойную кривизну, ткань получает достаточно жесткость выдерживать нагрузки, которым он подвергается (например, ветер и снег 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

Поведение конструкций, достижение прочности которых зависит от предварительного напряжения, нелинейно, поэтому до 1990-х годов было очень трудно спроектировать что-либо, кроме очень простого кабеля. Наиболее распространенным способом проектирования двояко изогнутых тканевых конструкций было построение масштабных моделей окончательных зданий, чтобы понять их поведение и провести упражнения по поиску формы. В таких масштабных моделях часто использовались чулки, колготки или мыльная пленка, поскольку 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 вес может серьезно повлиять на ее форму.

Для мембраны с кривизной в двух направлениях основное уравнение равновесия:

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

куда:

• р₁ и р₂ основные радиусы кривизны мыльных пленок или направления основы и утка для тканей.
• т₁ и т₂ есть ли напряженность в соответствующих направлениях
• ш это нагрузка на квадратный метр

Линии главная кривизна не имеют закручивания и пересекают другие линии главной кривизны под прямым углом.

А геодезический или же геодезический Линия обычно является самой короткой линией между двумя точками на поверхности. Эти линии обычно используются при определении линий шва рисунка раскроя. Это происходит из-за их относительной прямолинейности после того, как были созданы плоские ткани, что приводит к меньшему расходу ткани и более точному совпадению с переплетением ткани.

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

В мыльной пленке поверхностное натяжение одинаково в обоих направлениях, поэтому р₁ = −р₂.

Теперь можно использовать мощные нелинейный числовой анализ программы (или анализ методом конечных элементов ) для формирования 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, что окончательная форма не позволит пруд 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 приводило к (временному) коллапсу Хьюберт Х. Хамфри Метродоум, надувная конструкция в Миннеаполис, Миннесота. Некоторые конструкции склонны к пруд используйте нагревание, чтобы растопить оседающий на них снег.

Форма седла

Есть 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 гиперболический параболоид (не все формы седла являются гиперболическими параболоидами). Это двойной линейчатая поверхность и часто используется как в легких конструкциях оболочки (см. гиперболоидные структуры ). Настоящие линейчатые поверхности редко встречаются в натяжных конструкциях. Другие формы антикластический седла, различные радиальные, конические формы палаток и любые их комбинации.

Предварительное натяжение

Предварительное натяжение 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 провода провиснут, система не будет работать.

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

Альтернативный подход к поиску формы

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

Простая математика кабелей

Поперечно и равномерно нагруженный кабель

Равномерно нагруженный кабель, проложенный между двумя опорами, образует изгиб, промежуточный между цепная связь кривая и парабола. Можно сделать упрощающее предположение, что она приближается к дуге окружности (радиуса р).

К равновесие:

Горизонтальные и вертикальные реакции:

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

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

К геометрия:

Длина кабеля:

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

Напряжение в тросе:

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

Путем замены:

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

Напряжение также равно:

${\displaystyle T=wR}$

Удлинение кабеля при нагрузке составляет (от Закон Гука, где осевая жесткость, k, равно ${\displaystyle k={\frac {EA}{L}}}$):

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

куда E это Модуль для младших кабеля и А это его поперечное сечение площадь.

Если первоначальная претензия, ${\displaystyle T_{0}}$ добавляется к кабелю, расширение становится:

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

Объединение приведенных выше уравнений дает:

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

Построив левую часть этого уравнения против Т, и построение правой части на тех же осях, также против Т, пересечение даст фактическое равновесное натяжение кабеля для данной нагрузки ш и данное притязание ${\displaystyle T_{0}}$.

Кабель с центральной точечной нагрузкой

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

По равновесию:

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

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

По геометрии:

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

Это дает следующие отношения:

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

Как и раньше, отображая левую и правую части уравнения в зависимости от натяжения, Т, даст равновесное натяжение для данного предварительного натяжения, ${\displaystyle T_{0}}$ и загрузить, W.

Колебания натянутого кабеля

Фундаментальный собственная частота, ж₁ натянутых кабелей дает:

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

куда Т = напряжение в ньютоны, м = масса в килограммах и L = длина пролета.

Известные структуры

• Шуховская ротонда, Россия, 1896
• Canada Place, Ванкувер, британская Колумбия за Экспо-86
• Национальная гимназия Ёёги к Кензо Танге, Йойоги Парк, Токио, Япония
• Каток Ингаллс, Йельский университет к Ээро Сааринен
• Развлекательный центр Хан Шатыры, Нур-Султан, Казахстан
• Поле Тропикана, Санкт-Петербург, Флорида
• Олимпиапарк, Мюнхен к Фрей Отто
• Сидни Майер Music Bowl, Мельбурн
• О₂ (ранее Купол тысячелетия ), Лондон к Buro Happold и Ричард Роджерс Партнерство
• Международный аэропорт Денвера, Денвер
• Дортон Арена, Роли
• Джорджия Доум, Атланта, Грузия к Heery и Weidlinger Associates (снесен в 2017 г.)
• Международный аэропорт Грантли Адамс, Крайст-Черч, Барбадос
• Pengrowth Saddledome, Калгари к Graham McCourt Architects и Ян Бобровски и партнеры
• Скандинавия, Гетеборг, Швеция
• Гонконгский музей береговой обороны
• Модернизация Центральный вокзал, София, Болгария
• Redbird Arena, Государственный университет Иллинойса, Нормальный, Иллинойс
• Выдвижные зонты, Аль-Масджид ан-Набави, Медина, Саудовская Аравия
• Башня Киллесберг, Штутгарт

Галерея известных натяжных конструкций

• 

  Кровельные натяжные конструкции Фрей Отто из Олимпиапарк, Мюнхен

• 

  В Купол тысячелетия (теперь The O₂), Лондон, к Buro Happold и Ричард Роджерс

• 

  Международный аэропорт Денвера Терминал

• 

  В THTR-300 кабель-сетка сухой градирни, гиперболоидная структура к Schlaich Bergermann & партнер

• 

  Башня Киллесберг, Штутгарт, автор: Schlaich Bergermann Партнер

• 

  Джорджия Доум в Атланта

• 

  Большие выдвижные зонты перед Священная мечеть Пророка в Медине к SL Rasch GmbH Специальные и легкие конструкции

• 

  Дневной компьютер оказывать из Развлекательный Центр Хан Шатыр, самая высокопрочная конструкция в мире

Классификационные номера

В Институт строительных технических условий (CSI) и Строительные спецификации Канады (CSC), MasterFormat Издание 2018, Дивизион 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 Издание 1995 года:

• 13120 - Кабельные конструкции
• 13120 - Структуры ткани

Смотрите также

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

Рекомендации

1. plc, Коллинсон. «Конструкции из растяжимой ткани: полное руководство (новинка 2018 года)». info.collinson.co.uk. Получено 2018-07-02.
2. "Подпружиненный". Армейские технологии.
3. Quagliaroli, M .; Malerba, P.G .; Альбертин, А .; Поллини, Н. (01.12.2015). «Роль предварительного напряжения и его оптимизация в конструкции кабельных куполов». Компьютеры и конструкции. 161: 17–30. Дои:10.1016 / j.compstruc.2015.08.017. ISSN  0045-7949.
4. Альбертин, А; Malerba, P; Pollini, N; Квальяроли, М. (2012-06-21), «Оптимизация предварительного напряжения гибридных натяжных конструкций», Обслуживание мостов, безопасность, управление, устойчивость и устойчивость, CRC Press, стр. 1750–1757, Дои:10.1201 / b12352-256, ISBN  978-0-415-62124-3, получено 2020-06-30

дальнейшее чтение

• «Нижегородская выставка: Водонапорная башня, строящееся помещение, пружина пролетом 91 фут», "Инженер", № 19.3.1897, С.292-294, Лондон, 1897.
• Хорст Бергер, Световые конструкции, световые конструкции: искусство и инженерия натяжной архитектуры (Birkhäuser Verlag, 1996) ISBN  3-7643-5352-X
• Алан Холгейт, Искусство проектирования конструкций: работа Йорга Шлайха и его команды (Книги Британии, 1996) ISBN  3-930698-67-6
• Элизабет Купер английский: «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.", Rainer Graefe, Jos Tomlow und andere, 192 S., Deutsche Verlags-Anstalt, Штутгарт, 1990, ISBN  3-421-02984-9.

• 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 Аксель Менгес, 1996 г., ISBN  3930698668
• Нердингер, Винфрид: Фрей Отто. Das Gesamtwerk: Leicht Bauen Natürlich Gestalten, 2005, ISBN  3-7643-7233-8