В строительной инженерии натяжная конструкция — это конструкция из элементов, несущих только растяжение и не испытывающих сжатие или изгиб . Термин «растяжение» не следует путать с тенсегрити , которая является структурной формой с элементами растяжения и сжатия. Натяжные конструкции являются наиболее распространенным типом тонкостенных конструкций .
Большинство растяжимых конструкций поддерживаются элементами сжатия или изгиба, такими как мачты (как в The O 2 , бывшем Куполе Тысячелетия ), компрессионные кольца или балки.
Натяжная мембранная конструкция чаще всего используется в качестве крыши , поскольку она может экономично и привлекательно перекрывать большие расстояния. Натяжные мембранные конструкции также могут использоваться в качестве полноценных зданий, с несколькими распространенными применениями, такими как спортивные сооружения, складские и складские помещения, а также выставочные площадки.
Эта форма конструкции стала более тщательно проанализирована и широко распространена в крупных сооружениях только во второй половине двадцатого века. Растяжимые конструкции давно используются в палатках , где растяжки и стойки палатки обеспечивают предварительное натяжение ткани и позволяют ей выдерживать нагрузки.
Русский инженер Владимир Шухов был одним из первых, кто разработал практические расчеты напряжений и деформаций натяжных конструкций, оболочек и мембран. Шухов спроектировал восемь выставочных павильонов из натяжных конструкций и тонкостенных конструкций для Нижегородской ярмарки 1896 года , охватывающих площадь 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 концепцию наоборот, чтобы создать структуру, работающую только на сжатие, для церкви Колония Гуэль . Он создал подвесную модель растяжения церкви, чтобы рассчитать силы сжатия и экспериментально определить геометрию колонн и сводов.
Позднее эту концепцию поддержал немецкий архитектор и инженер Фрай Отто , который впервые применил эту идею при строительстве павильона Западной Германии на выставке Expo 67 в Монреале. Затем Отто использовал эту идею для крыши Олимпийского стадиона на летних Олимпийских играх 1972 года в Мюнхене .
Начиная с 1960-х годов натяжные конструкции пропагандировались такими дизайнерами и инженерами, как Уве Аруп , Буро Хаппольд , Фрай Отто , Махмуд Бодо Раш , Ээро Сааринен , Хорст Бергер , Мэтью Новицки , Йорг Шлайх и Дэвид Гейгер .
Устойчивый технический прогресс увеличил популярность конструкций с тканевой крышей. Малый вес материалов делает строительство более простым и дешевым по сравнению со стандартными конструкциями, особенно когда необходимо покрыть большие открытые пространства.
Обычными материалами для двойных изогнутых структур ткани являются стекловолокно с покрытием PTFE и полиэстер с покрытием PVC . Это тканые материалы с различной прочностью в разных направлениях. Основа (те волокна, которые изначально прямые — эквивалентны исходным волокнам на ткацком станке) может выдерживать большую нагрузку, чем уточные или заполняющие волокна, которые вплетены между волокнами основы.
В других конструкциях используется пленка ETFE , либо в виде одного слоя, либо в форме подушки (которую можно надувать для обеспечения хороших изоляционных свойств или для эстетического эффекта, как на Allianz Arena в Мюнхене ). Подушки ETFE также могут быть протравлены узорами, чтобы пропускать разный уровень света при надувании на разный уровень.
При дневном свете прозрачность тканевой мембраны обеспечивает мягкое рассеянное естественное освещение помещений, в то время как ночью искусственное освещение может использоваться для создания окружающего внешнего свечения. Чаще всего они поддерживаются структурным каркасом, поскольку не могут получить свою прочность от двойной кривизны. [1]
Тросы могут быть из мягкой стали , высокопрочной стали (тянутая углеродистая сталь), нержавеющей стали , полиэфирных или арамидных волокон . Структурные тросы изготавливаются из ряда небольших прядей, скрученных или связанных вместе для формирования гораздо большего троса. Стальные тросы представляют собой либо спиральные пряди, где круглые стержни скручены вместе и «склеены» с помощью полимера, либо замкнутые спиральные пряди, где отдельные переплетенные стальные пряди образуют трос (часто с сердечником из спиральных прядей).
Спиральная прядь немного слабее, чем закрытая спиральная прядь. Стальные спиральные тросы имеют модуль Юнга , E , равный 150±10 кН/мм 2 (или 150±10 ГПа ), и выпускаются диаметром от 3 до 90 мм. [ требуется ссылка ] Спиральная прядь страдает от растяжения конструкции, когда пряди уплотняются, когда кабель нагружен. Это обычно устраняется предварительным растяжением кабеля и циклическим увеличением и уменьшением нагрузки до 45% от предельной нагрузки на растяжение.
Модуль Юнга замкнутой пружины обычно составляет 160±10 кН/мм2 , а диаметр выпускаемой пряди составляет от 20 мм до 160 мм.
Свойства отдельных прядей из различных материалов приведены в таблице ниже, где UTS — предел прочности на растяжение или разрывная нагрузка:
Воздухоопорные конструкции представляют собой разновидность натяжных конструкций, в которых тканевая оболочка поддерживается только сжатым воздухом.
Большинство тканевых структур получают свою прочность от своей двоякоизогнутой формы. Заставляя ткань принимать двойную кривизну, ткань приобретает достаточную жесткость , чтобы выдерживать нагрузки, которым она подвергается (например, ветровую и снеговую нагрузку). Для того чтобы вызвать адекватную двоякоизогнутую форму, чаще всего необходимо предварительно натянуть или предварительно напрячь ткань или ее опорную конструкцию.
Поведение конструкций, прочность которых зависит от предварительного напряжения, нелинейно, поэтому до 1990-х годов было очень сложно проектировать что-либо, кроме очень простого кабеля. Наиболее распространенным способом проектирования двояко изогнутых тканевых конструкций было создание масштабных моделей готовых зданий для понимания их поведения и проведения упражнений по поиску формы. Такие масштабные модели часто использовали чулочный материал или колготки, или мыльную пленку, поскольку они ведут себя очень похоже на структурные ткани (они не могут переносить сдвиг).
Мыльные пленки имеют равномерное напряжение во всех направлениях и требуют замкнутой границы для формирования. 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 изгибов и пересекают другие линии главной кривизны под прямым углом.
Геодезическая или геодезическая линия обычно является самой короткой линией между двумя точками на поверхности. Эти линии обычно используются при определении линий швов раскройного рисунка. Это связано с их относительной прямолинейностью после создания плоских полотен, что приводит к меньшему расходу ткани и более близкому выравниванию с переплетением ткани .
В 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 конечно-элементный анализ ) для поиска и проектирования структур ткани и кабеля. Программы должны допускать большие прогибы.
Окончательная форма или вид тканевой структуры зависит от:
Важно, чтобы окончательная форма не допускала скопления воды, так как это может деформировать мембрану и привести к локальному разрушению или постепенному разрушению всей конструкции.
Снеговая нагрузка может стать серьезной проблемой для мембранной конструкции, поскольку снег часто не стекает с конструкции, как это делает вода. Например, в прошлом это вызвало (временное) обрушение Hubert H. Humphrey Metrodome , надувной конструкции в Миннеаполисе, штат Миннесота . Некоторые конструкции, склонные к запруживанию, используют отопление для растапливания снега, который оседает на них.
Существует множество различных двоякоизогнутых форм, многие из которых обладают особыми математическими свойствами. Самая простая двоякоизогнутая форма — это седловая форма, которая может быть гиперболическим параболоидом (не все седловые формы являются гиперболическими параболоидами). Это двойная линейчатая поверхность , которая часто используется в обоих легких оболочечных конструкциях (см. гиперболоидные конструкции ). Истинно линейчатые поверхности редко встречаются в растяжимых конструкциях. Другие формы — это антикластические седла, различные радиальные, конические шатровые формы и любые их комбинации.
Предварительное натяжение — это натяжение, искусственно вызванное в элементах конструкции в дополнение к любому собственному весу или наложенным нагрузкам, которые они могут нести. Оно используется для того, чтобы гарантировать, что обычно очень гибкие элементы конструкции остаются жесткими при всех возможных нагрузках. [2] [3]
Повседневным примером претензионного натяжения является стеллаж, поддерживаемый проводами, идущими от пола до потолка. Провода удерживают полки на месте, поскольку они натянуты — если бы провода были слабыми, система бы не работала.
Предварительное натяжение может быть применено к мембране путем ее растяжения от краев или путем предварительного натяжения кабелей, которые ее поддерживают, и, таким образом, изменения ее формы. Уровень применяемого предварительного натяжения определяет форму мембранной структуры.
Альтернативный приближенный подход к решению задачи формообразования основан на полном энергетическом балансе сеточно-узловой системы. По своему физическому смыслу этот подход называется методом растянутых сеток (МРС).
Равномерно нагруженный трос, протянутый между двумя опорами, образует кривую, промежуточную между цепной кривой и параболой . Можно сделать упрощающее предположение, что она приближается к дуге окружности (радиуса R ).
По равновесию :
Горизонтальные и вертикальные реакции:
По геометрии :
Длина кабеля:
Натяжение троса:
Путем замены:
Напряжение также равно:
Удлинение троса под нагрузкой равно (из закона Гука , где осевая жесткость k равна ):
где E — модуль Юнга кабеля, а A — площадь его поперечного сечения .
Если к кабелю добавить начальное натяжение , то удлинение станет:
Объединение приведенных выше уравнений дает:
Если построить график левой части этого уравнения относительно T и построить график правой части на тех же осях также относительно T, то пересечение даст фактическое равновесное натяжение троса при заданной нагрузке w и заданном предварительном натяжении .
Аналогичное вышеприведенному решению можно получить, если:
По равновесию:
По геометрии:
Это дает следующее соотношение:
Как и прежде, 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 тросов определяется по формуле:
где T = натяжение в ньютонах , m = масса в килограммах и L = длина пролета.
Институт строительных спецификаций (CSI) и Строительные спецификации Канады (CSC), MasterFormat 2018 г., издание, разделы 05 и 13:
CSI/CSC MasterFormat, издание 1995 г.:
{{citation}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)