- Materiales de membrana h3>
- Cables Los cables pueden ser de acero dulce, acero de alta resistencia (acero al carbono estirado), acero inoxidable, poliéster o fibras de aramida. Los cables estructurales están hechos de una serie de pequeños hilos retorcidos o unidos para formar un cable mucho más grande. Los cables de acero son filamentos en espiral, donde las varillas circulares se tuercen y se «pegan» utilizando un polímero, o filamentos de bobina bloqueados, donde los filamentos de acero entrelazados individuales forman el cable (a menudo con un núcleo de filamento en espiral).
- Formas estructuraleseditar
- Búsqueda de formaseditar
- Pretensióneditar
- Enfoque alternativo de búsqueda de formasedItar
Materiales de membrana h3>
Los materiales comunes para estructuras de tela doblemente curvas son fibra de vidrio recubierta de PTFE y poliéster recubierto de PVC. Estos son materiales tejidos con diferentes resistencias en diferentes direcciones. Las fibras de urdimbre (aquellas fibras que son originalmente rectas, equivalentes a las fibras iniciales de un telar) pueden llevar una carga mayor que las fibras de trama o relleno, que se tejen entre las fibras de urdimbre.
Otras estructuras utilizan película ETFE, ya sea de una sola capa o en forma de cojín (que se puede inflar, para proporcionar buenas propiedades de aislamiento o para un efecto estético, como en el Allianz Arena de Múnich). Los cojines ETFE también se pueden grabar con patrones para dejar pasar diferentes niveles de luz cuando se inflan a diferentes niveles.
En la luz del día, la translucidez de membrana de tela ofrece espacios con luz natural difusa suave, mientras que por la noche, se puede usar iluminación artificial para crear una luminiscencia exterior ambiental. La mayoría de las veces se apoyan en un marco estructural, ya que no pueden derivar su resistencia de la doble curvatura.
La hebra espiral es ligeramente más débil que la hebra de bobina bloqueada. Los cables de acero en espiral tienen un módulo de Young, E de 150±10 kN/mm2 (o 150±10 GPa) y vienen en tamaños de 3 a 90 mm de diámetro. El hilo en espiral sufre de estiramiento de construcción, donde los hilos se compactan cuando se carga el cable. Esto normalmente se elimina estirando previamente el cable y desplazando la carga hacia arriba y hacia abajo hasta el 45% de la carga de tracción final.
El filamento de bobina bloqueado típicamente tiene un módulo de Young de 160±10 kN / mm2 y viene en tamaños de 20 mm a 160 mm de diámetro.
Las propiedades de los hilos individuales de diferentes materiales se muestran en la siguiente tabla, donde UTS es la resistencia a la tracción final o la carga de rotura:
| E (GPa) | UTS (MPa) | Strain at 50% of UTS | |
|---|---|---|---|
| Solid steel bar | 210 | 400–800 | 0.24% |
| Steel strand | 170 | 1550–1770 | 1% |
| Wire rope | 112 | 1550–1770 | 1.5% |
| Polyester fibre | 7.5 | 910 | 6% |
| Aramid fibre | 112 | 2800 | 2.5% |
Formas estructuraleseditar
Las estructuras soportadas por aire son una forma de estructuras extensibles en las que la envoltura de la tela está soportada solo por aire a presión.
La mayoría de las estructuras de tela derivan su fuerza de su forma doblemente curva. Al obligar a la tela a adoptar una doble curvatura, la tela gana suficiente rigidez para soportar las cargas a las que está sujeta (por ejemplo, cargas de viento y nieve). Con el fin de inducir una forma adecuadamente doblemente curvada, la mayoría de las veces es necesario pretensar o pretensar el tejido o su estructura de soporte.
Búsqueda de formaseditar
El comportamiento de las estructuras que dependen del pretensado para alcanzar su resistencia es no lineal, por lo que cualquier otra cosa que no sea un cable muy simple, hasta la década de 1990, ha sido muy difícil de diseñar. La forma más común de diseñar estructuras de tela doblemente curvas era construir modelos a escala de los edificios finales para comprender su comportamiento y realizar ejercicios de búsqueda de formas. Tales modelos a escala a menudo empleaban material de almacenamiento o mallas, o película de jabón, ya que se comportan de una manera muy similar a los tejidos estructurales (no pueden transportar cizalla).
Las películas de jabón tienen una tensión uniforme en todas las direcciones y requieren un límite cerrado para formarse. Forman naturalmente una superficie mínima, la forma con un área mínima y con una energía mínima. Sin embargo, son muy difíciles de medir. Para una película grande, su peso puede afectar seriamente su forma.
Para una membrana con curvatura en dos direcciones, la ecuación básica de equilibrio es:
w = t 1 R 1 + t 2 R 2 {\displaystyle w={\frac {t_{1}}{R_{1}}}+{\frac {t_{2}}{R_{2}}}}
donde:
- R1 y R2 son los radios de curvatura principales para películas de jabón o las direcciones de la urdimbre y la trama para telas
- t1 y t2 son las tensiones en las direcciones pertinentes
- w es la carga por metro cuadrado
Las líneas de curvatura principal no tienen torsión y se cruzan con otras líneas de curvatura principal en ángulo recto.
Una línea geodésica o geodésica suele ser la línea más corta entre dos puntos de la superficie. Estas líneas se usan típicamente al definir las líneas de costura del patrón de corte. Esto se debe a su relativa rectitud después de que se hayan generado los paños planos, lo que resulta en un menor desperdicio de tela y una alineación más estrecha con el tejido de la tela.
En un pre-tensionado pero descargada de la superficie w = 0, entonces t 1 R 1 = − t 2 R 2 {\displaystyle {\frac {t_{1}}{R_{1}}}=-{\frac {t_{2}}{R_{2}}}}
.
En una película de jabón, las tensiones superficiales son uniformes en ambas direcciones, por lo que R1 = – R2.
Ahora es posible utilizar potentes programas de análisis numérico no lineal (o análisis de elementos finitos) para formar y diseñar estructuras de tejidos y cables. Los programas deben permitir grandes desviaciones.
La forma final, o forma, de una estructura de tela depende de:
- la forma, o patrón, de la tela
- la geometría de la estructura de soporte (como mástiles, cables, vigas de anillo, etc.)
- la pretensión aplicada a la tela o a su estructura de soporte
Es importante que la forma final no permita la acumulación de agua, ya que esto puede deformar la membrana y provocar un fallo local o un fallo progresivo de toda la estructura.
La carga de nieve puede ser un problema grave para la estructura de la membrana, ya que la nieve a menudo no fluirá de la estructura como lo hará el agua. Por ejemplo, esto ha causado en el pasado el colapso (temporal) del Metrodomo Hubert H. Humphrey, una estructura inflada por aire en Minneapolis, Minnesota. Algunas estructuras propensas a atascarse usan calefacción para derretir la nieve que se asienta sobre ellas.
Hay muchos diferentes doblemente formas curvas, muchas de las cuales han especiales propiedades matemáticas. La forma doblemente curvada más básica es la forma de sillín, que puede ser un paraboloide hiperbólico (no todas las formas de sillín son paraboloides hiperbólicos). Esta es una superficie de doble regla y se usa a menudo en ambas estructuras de carcasa livianas (ver estructuras hiperboloides). Las superficies con reglas verdaderas rara vez se encuentran en estructuras de tracción. Otras formas son sillas de montar anticlásticas, varias formas de carpa cónicas y radiales y cualquier combinación de ellas.
Pretensióneditar
La pretensión es la tensión inducida artificialmente en los elementos estructurales, además de cualquier carga auto-pesada o impuesta que puedan llevar. Se utiliza para garantizar que los elementos estructurales normalmente muy flexibles permanezcan rígidos bajo todas las cargas posibles.
Un ejemplo cotidiano de pretensión es una estantería soportada por cables que van del suelo al techo. Los cables mantienen los estantes en su lugar porque están tensados; si los cables estuvieran flojos, el sistema no funcionaría.
La pretensión se puede aplicar a una membrana estirándola desde sus bordes o pretensando cables que la soportan y, por lo tanto, cambiando su forma. El nivel de pretensión aplicado determina la forma de una estructura de membrana.
Enfoque alternativo de búsqueda de formasedItar
El enfoque alternativo aproximado para la solución del problema de búsqueda de formasestá basado en el balance energético total de un sistema nodal de red. Debido a su significado físico, este enfoque se denomina Método de Cuadrícula Estirada (SGM).