В строительной технике натяжная конструкция представляет собой конструкцию из элементов, несущих только растяжение , но не сжимающих и не изгибающих . Термин «растяжение» не следует путать с тенсегрити , которая представляет собой структурную форму с элементами как растяжения, так и сжатия. Натяжные конструкции являются наиболее распространенным типом тонкостенных конструкций .
Большинство натяжных конструкций поддерживаются той или иной формой сжимающих или изгибающих элементов, таких как мачты (как в The O 2 , ранее называвшийся « Купол Тысячелетия» ), сжимающие кольца или балки.
В качестве крыши чаще всего используют натяжные мембранные конструкции , поскольку они позволяют экономично и привлекательно перекрывать большие расстояния. Натяжные мембранные конструкции также могут использоваться в качестве полноценных зданий, причем некоторые распространенные применения — это спортивные сооружения, складские и складские здания, а также выставочные площадки. [1]
Эта форма конструкции стала более тщательно анализироваться и широко распространяться в крупных сооружениях только во второй половине двадцатого века. В палатках издавна используются натяжные конструкции , где растяжки и стойки палатки обеспечивают предварительное натяжение ткани и позволяют ей выдерживать нагрузки.
Русский инженер Владимир Шухов одним из первых разработал практические расчеты напряжений и деформаций натяжных конструкций, оболочек и оболочек. Шухов спроектировал восемь выставочных павильонов натяжных и тонкостенных конструкций для Нижегородской ярмарки 1896 года площадью 27 000 квадратных метров. Более поздним крупномасштабным использованием натяжной конструкции с мембранным покрытием является Sidney Myer Music Bowl , построенный в 1958 году.
Антонио Гауди использовал эту концепцию наоборот, чтобы создать структуру, предназначенную только для сжатия, для церкви Колония Гуэль . Он создал висячую растянутую модель церкви, чтобы рассчитать силы сжатия и экспериментально определить геометрию колонн и свода.
Позднее эту концепцию поддержал немецкий архитектор и инженер Фрей Отто , который впервые использовал эту идею при строительстве западногерманского павильона на выставке Expo 67 в Монреале. Затем Отто использовал эту идею для крыши Олимпийского стадиона на летних Олимпийских играх 1972 года в Мюнхене .
С 1960-х годов натяжные конструкции продвигали такие дизайнеры и инженеры , как Уве Аруп , Буро Хаппольд , Уолтер Берд из Birdair, Inc. , Фрей Отто , Махмуд Бодо Раш , Ээро Сааринен , Хорст Бергер , Мэтью Новицки , Йорг Шлайх , дуэт Николаса Голдсмита и Тодда Далланда из FTL Design & Engineering Studio и Дэвида Гейгера .
Устойчивый технический прогресс увеличил популярность конструкций с тканевой кровлей. Малый вес материалов упрощает и удешевляет строительство по сравнению со стандартными конструкциями, особенно когда необходимо покрыть большие открытые пространства.
Обычными материалами для тканевых конструкций двойной кривизны являются стекловолокно с покрытием из ПТФЭ и полиэстер с покрытием из ПВХ . Это тканые материалы, имеющие разную прочность в разных направлениях. Волокна основы (те волокна, которые изначально прямые — эквивалент исходных волокон на ткацком станке) могут выдерживать большую нагрузку, чем волокна утка или наполнителя, которые вплетены между волокнами основы.
В других конструкциях используется пленка ETFE либо в виде однослойной, либо в виде подушки (которая может надуваться для обеспечения хороших изоляционных свойств или для эстетического эффекта, как на « Альянц Арене» в Мюнхене ). На подушках из ETFE также можно выгравировать узоры, чтобы пропускать разные уровни света при надувании до разных уровней.
При дневном свете полупрозрачность тканевой мембраны создает мягкое рассеянное естественное освещение, а ночью можно использовать искусственное освещение для создания окружающего внешнего свечения. Чаще всего они поддерживаются структурным каркасом, поскольку не могут получить свою прочность за счет двойной кривизны. [2]
Тросы могут быть изготовлены из мягкой стали , высокопрочной стали (тянутой углеродистой стали), нержавеющей стали , полиэфирных или арамидных волокон . Структурные тросы состоят из серии небольших прядей, скрученных или связанных вместе, образуя кабель гораздо большего размера. Стальные тросы представляют собой либо спиральную прядь, где круглые стержни скручены вместе и «склеены» с помощью полимера, либо прядь с замком витка, где отдельные переплетающиеся стальные пряди образуют кабель (часто со спиральным сердечником).
Спиральная прядь немного слабее, чем закрепленная спиральная прядь. Стальные спиральнопрядные кабели имеют модуль Юнга E 150±10 кН/мм² (или 150±10 ГПа ) и имеют диаметры от 3 до 90 мм. [ нужна цитата ] Спиральная прядь подвергается строительному растяжению, при котором пряди сжимаются при нагрузке кабеля. Обычно это устраняется путем предварительного растяжения троса и циклического увеличения и уменьшения нагрузки до 45 % от предельной растягивающей нагрузки.
Замкнутая спиральная прядь обычно имеет модуль Юнга 160 ± 10 кН/мм² и имеет размеры от 20 до 160 мм в диаметре.
Свойства отдельных прядей из разных материалов приведены в таблице ниже, где UTS — предел прочности на разрыв , или разрывная нагрузка:
Воздухоопорные конструкции представляют собой разновидность натяжных конструкций, в которых тканевая оболочка поддерживается только воздухом под давлением.
Большинство тканевых структур черпают свою силу из своей двояко изогнутой формы. Заставляя ткань принимать двойную кривизну, ткань приобретает достаточную жесткость , чтобы выдерживать нагрузки, которым она подвергается (например, ветровые и снеговые нагрузки). Для того чтобы придать соответствующую двойную изогнутую форму, чаще всего необходимо предварительно натянуть ткань или ее опорную конструкцию.
Поведение конструкций, прочность которых зависит от предварительного напряжения, является нелинейным, поэтому до 1990-х годов было очень сложно спроектировать что-либо, кроме очень простого троса. Самым распространенным способом проектирования тканевых конструкций двойной кривизны было построение масштабных моделей готовых зданий, чтобы понять их поведение и провести упражнения по поиску формы. В таких масштабных моделях часто использовались чулочные материалы, колготки или мыльная пленка, поскольку они ведут себя очень похоже на конструкционные ткани (они не выдерживают сдвига).
Мыльные пленки имеют равномерное напряжение во всех направлениях, и для их формирования требуется замкнутая граница. Они естественным образом образуют минимальную поверхность — форму с минимальной площадью и воплощающую минимальную энергию. 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 имеет вид:
где:
Линии главной кривизны не имеют закручивания и пересекают другие линии главной кривизны под прямым углом.
Геодезическая или геодезическая линия обычно представляет собой кратчайшую линию между двумя точками на поверхности. Эти линии обычно используются при определении линий швов схемы раскроя. Это связано с их относительной прямолинейностью после создания плоских полотен, что приводит к уменьшению отходов ткани и более точному совмещению с переплетением ткани.
На предварительно напряженной, но ненагруженной поверхности w = 0, поэтому .
В мыльной пленке поверхностное натяжение одинаково в обоих направлениях, поэтому R 1 = − R 2 .
Теперь можно использовать мощные программы нелинейного численного анализа (или анализа методом конечных элементов ) для поиска и проектирования тканевых и кабельных конструкций. Программы должны допускать большие отклонения.
Окончательная форма или форма тканевой конструкции зависит от:
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 стекает с конструкции в отличие от воды. Например, в прошлом это приводило к (временному) обрушению Метродома Хьюберта Х. Хамфри , надутой воздухом конструкции в Миннеаполисе, штат Миннесота . Некоторые сооружения, склонные к затоплению, используют отопление для таяния оседающего на них снега.
Существует множество различных двоякоизогнутых форм, многие из которых обладают особыми математическими свойствами. Самая основная форма двойной изогнутости - это форма седла, которая может представлять собой гиперболический параболоид (не все формы седла являются гиперболическими параболоидами). Это поверхность с двойной линейкой , и она часто используется в обоих случаях в легких конструкциях оболочек (см. Гиперболоидные конструкции ). Настоящие линейчатые поверхности редко встречаются в натяжных конструкциях. Другими формами являются антикластические седла, различные радиальные, конические шатровые формы и любые их комбинации.
Предварительное натяжение — это напряжение, искусственно создаваемое в элементах конструкции в дополнение к любому собственному весу или нагрузкам, которые они могут нести. Он используется для того, чтобы обычно очень гибкие элементы конструкции оставались жесткими при всех возможных нагрузках. [3] [4]
Повседневным примером претенциозности является стеллаж, поддерживаемый проводами, идущими от пола до потолка. Тросы удерживают полки на месте, потому что они натянуты — если бы провода провисли, система не работала бы.
Предварительное натяжение можно приложить к мембране, растягивая ее по краям или предварительно натягивая тросы, поддерживающие ее, и, следовательно, изменяя ее форму. Уровень приложенного предварительного натяжения определяет форму мембранной конструкции.
Альтернативный приближенный подход к решению задачи формообразования основан на полном энергетическом балансе сеточно-узловой системы. По своему физическому смыслу этот подход называется методом растянутой сетки (МРГ).
Равномерно нагруженный трос, протянутый между двумя опорами, образует промежуточную кривую между цепной линией и параболой . Можно сделать упрощающее предположение, что оно аппроксимирует дугу окружности (радиуса R ).
По равновесию :
Горизонтальная и вертикальная реакции:
По геометрии :
Длина кабеля:
Натяжение троса:
По замене:
Напряжение также равно:
Удлинение троса при нагрузке равно (из закона Гука , где осевая жесткость k равна ):
где E — модуль Юнга кабеля, а A — площадь его поперечного сечения .
Если к кабелю добавляется начальное предварительное натяжение , расширение становится:
Объединение приведенных выше уравнений дает:
Построив левую часть этого уравнения в зависимости от Т и отложив правую часть по тем же осям, а также в зависимости от Т, пересечение даст фактическое равновесное натяжение в кабеле для данной нагрузки w и заданного предварительного натяжения .
Решение, аналогичное приведенному выше, может быть получено, если:
По равновесию:
По геометрии:
Это дает следующее соотношение:
Как и раньше, построение графика левой и правой частей уравнения в зависимости от натяжения T даст равновесное натяжение для заданного предварительного натяжения и нагрузки W.
Основная собственная частота f 1 натянутых кабелей определяется по формуле:
где T = напряжение в ньютонах , m = масса в килограммах и L = длина пролета.
Институт строительных спецификаций (CSI) и Строительные спецификации Канады (CSC), MasterFormat 2018 Edition, Division 05 и 13:
CSI/CSC MasterFormat, издание 1995 г.:
