Membrane materialsEdit
materialele obișnuite pentru structurile de țesături dublu curbate sunt fibra de sticlă acoperită cu PTFE și poliesterul acoperit cu PVC. Acestea sunt materiale țesute cu diferite rezistențe în direcții diferite. Fibrele de urzeală (acele fibre care sunt inițial drepte—echivalente cu fibrele de pornire de pe un război de țesut) pot transporta o sarcină mai mare decât fibrele de bătătură sau de umplere, care sunt țesute între fibrele de urzeală.
alte structuri folosesc filmul ETFE, fie ca un singur strat, fie sub formă de pernă (care poate fi umflat, pentru a oferi proprietăți bune de izolare sau pentru efect estetic—ca pe Allianz Arena din Munchen). Pernele ETFE pot fi, de asemenea, gravate cu modele pentru a permite diferitelor niveluri de lumină să treacă atunci când sunt umflate la diferite niveluri.
în lumina zilei, transluciditatea membranei țesăturii oferă spații moi difuze luminate natural, în timp ce noaptea, iluminatul artificial poate fi utilizat pentru a crea o luminiscență exterioară ambientală. Acestea sunt cel mai adesea susținute de un cadru structural, deoarece nu își pot deduce rezistența din dubla curbură.
CablesEdit
cablurile pot fi din oțel moale, oțel de înaltă rezistență (oțel carbon desenat), oțel inoxidabil, poliester sau fibre de aramidă. Cablurile structurale sunt realizate dintr-o serie de fire mici răsucite sau legate între ele pentru a forma un cablu mult mai mare. Cablurile din oțel sunt fie fir spiralat, unde tijele circulare sunt răsucite împreună și „lipite” folosind un polimer, fie fir de bobină blocat, unde firele individuale de oțel interconectate formează cablul (adesea cu un miez de fir spiralat).
spirala strand este puțin mai slab decât blocat bobina strand. Cablurile spiralate din oțel au un modul Young, e de 150 xtc10 kN/mm2 (sau 150 xtc10 GPa) și vin în dimensiuni de la 3 la 90 mm diametru. Spirala strand suferă de întindere de construcție, în cazul în care firele compacte atunci când cablul este încărcat. Acest lucru este în mod normal îndepărtat prin pre-întinderea cablului și ciclarea sarcinii în sus și în jos până la 45% din sarcina finală de tracțiune.
blocat bobina strand are de obicei un modul Young de 160 de 10 KN / mm2 și vine în dimensiuni de la 20 mm la 160 mm diametru.
proprietățile firelor individuale din diferite materiale sunt prezentate în tabelul de mai jos, unde UTS este rezistența maximă la tracțiune sau sarcina de rupere:
| 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% |
forme Structuraleedit
structurile cu aer sunt o formă de structuri de tracțiune în care învelișul țesăturii este susținut numai de aer sub presiune.
majoritatea structurilor de țesături își derivă rezistența din forma lor dublă curbată. Prin forțarea țesăturii să ia o dublă curbură, țesătura câștigă suficientă rigiditate pentru a rezista sarcinilor la care este supusă (de exemplu încărcături de vânt și zăpadă). Pentru a induce o formă suficient de curbată, este cel mai adesea necesară pretensionarea sau pretensionarea țesăturii sau a structurii sale de susținere.
Form-findingEdit
comportamentul structurilor care depind de pretensiune pentru a-și atinge puterea este neliniar, deci orice altceva decât un cablu foarte simplu a fost, până în anii 1990, foarte dificil de proiectat. Cea mai obișnuită modalitate de a proiecta structuri de țesături dublu curbate a fost de a construi modele la scară ale clădirilor finale pentru a le înțelege comportamentul și pentru a efectua exerciții de găsire a formei. Astfel de modele la scară foloseau adesea material de stocare sau colanți sau film de săpun, deoarece se comportă într-un mod foarte similar cu țesăturile structurale (nu pot purta forfecare).
filmele de săpun au stres uniform în toate direcțiile și necesită o limită închisă pentru a se forma. Ele formează în mod natural o suprafață minimă—forma cu o suprafață minimă și care încorporează o energie minimă. Cu toate acestea, ele sunt foarte greu de măsurat. Pentru un film mare, greutatea sa poate afecta grav forma sa.
pentru o membrană cu curbură în două direcții, ecuația de bază a echilibrului este:
w = t 1 R 1 + t 2 R 2 {\displaystyle w={\frac {t_{1}}{R_{1}}}+{\frac {t_{2}}{R_{2}}}}
unde:
- R1 și R2 sunt razele principale de curbură pentru filmele de săpun sau direcțiile urzelii și bătăturii pentru țesături
- T1 și T2 sunt tensiunile din direcțiile relevante
- W este sarcina pe metru pătrat
liniile de curbură principală nu au răsucire și intersectează alte linii de curbură principală în unghi drept.
o linie geodezică sau geodezică este de obicei cea mai scurtă linie dintre două puncte de pe suprafață. Aceste linii sunt de obicei utilizate la definirea modelului de tăiere linii de cusătură. Acest lucru se datorează relativității lor drepte după ce au fost generate cârpele plane, rezultând o pierdere mai mică a pânzei și o aliniere mai strânsă cu țesătura țesăturii.
pe o suprafață pre-stresată, dar descărcată w = 0, deci t 1 R 1 = − t 2 R 2 {\displaystyle {\frac {t_{1}}{R_{1}}=-{\frac {t_{2}} {R_{2}}}
.
într −un film de săpun tensiunile de suprafață sunt uniforme în ambele direcții, deci R1 = – R2.
acum este posibil să se utilizeze programe puternice de analiză numerică neliniară (sau analiza elementelor finite) pentru a formafind și proiecta structuri de țesături și cabluri. Programele trebuie să permită devieri mari.
forma sau forma finală a unei structuri de țesătură depinde de:
- forma sau modelul țesăturii
- geometria structurii de susținere (cum ar fi catargele, cablurile, barele de inel etc.)
- pretensionarea aplicată țesăturii sau structurii sale de susținere
este important ca forma finală să nu permită pondarea apei, deoarece aceasta poate deforma membrana și poate duce la defectarea locală sau la defectarea progresivă a întregii structuri.
încărcarea zăpezii poate fi o problemă serioasă pentru structura membranei, deoarece zăpada de multe ori nu va curge de pe structură ca apa. De exemplu, acest lucru a provocat în trecut prăbușirea (temporară) a Hubert H. Humphrey Metrodome, o structură umflată cu aer din Minneapolis, Minnesota. Unele structuri predispuse la ponding folosesc încălzirea pentru a topi zăpada care se așează pe ele.
există multe forme diferite dublu curbate, dintre care multe au proprietăți matematice speciale. Cel mai de bază dublu curbat este forma șeii, care poate fi un paraboloid hiperbolic (nu toate formele de șa sunt paraboloizi hiperbolici). Aceasta este o suprafață dublă condusă și este adesea utilizată atât în structuri ușoare de coajă (vezi structuri hiperboloide). Suprafețele adevărate conduse sunt rareori găsite în structurile de tracțiune. Alte forme sunt șeile anticlastice, diverse forme de cort radial, conic și orice combinație a acestora.
PretensionEdit
pretensionarea este tensiunea indusă artificial în elementele structurale în plus față de orice greutate proprie sau sarcini impuse pe care le pot transporta. Este utilizat pentru a se asigura că elementele structurale în mod normal foarte flexibile rămân rigide sub toate sarcinile posibile.
un exemplu de pretensionare de zi cu zi este o unitate de rafturi susținută de fire care merg de la podea la tavan. Firele țin rafturile în poziție, deoarece sunt tensionate – dacă firele ar fi slăbite, sistemul nu ar funcționa.
pretensionarea poate fi aplicată unei membrane prin întinderea acesteia de la margini sau prin pretensionarea cablurilor care o susțin și, prin urmare, schimbarea formei acesteia. Nivelul de pretensionare aplicat determină forma unei structuri de membrană.
abordare alternativă de găsire a formei
abordarea alternativă aproximată a soluției problemei de găsire a formei se bazează pe echilibrul energetic total al unui sistem nodal rețea. Datorită semnificației sale fizice, această abordare se numește metoda grilei întinse (SGM).