membran materialsEdit
vanliga material för dubbelt böjda tygkonstruktioner är PTFE-belagd glasfiber och PVC-belagd polyester. Dessa är vävda material med olika styrkor i olika riktningar. Varpfibrerna (de fibrer som ursprungligen är raka—ekvivalenta med startfibrerna på en vävstol) kan bära större belastning än väft-eller fyllnadsfibrerna, som är vävda mellan varpfibrerna.
andra strukturer använder ETFE-film, antingen som ett lager eller i kuddform (som kan blåsas upp, för att ge goda isoleringsegenskaper eller för estetisk effekt—som på Allianz Arena i Munich). ETFE-kuddar kan också etsas med mönster för att släppa igenom olika ljusnivåer när de blåses upp till olika nivåer.
i dagsljus erbjuder tygmembrantranslucens mjuka diffusa naturligt upplysta utrymmen, medan på natten kan konstgjord belysning användas för att skapa en omgivande yttre luminescens. De stöds oftast av en strukturell ram eftersom de inte kan härleda sin styrka från dubbel krökning.
CablesEdit
kablar kan vara av mjukt stål, höghållfast stål (draget kolstål), rostfritt stål, polyester eller aramidfibrer. Strukturella kablar är gjorda av en serie små strängar vridna eller bundna ihop för att bilda en mycket större kabel. Stålkablar är antingen spiralsträng, där cirkulära stavar vrids ihop och” limmas ” med hjälp av en polymer, eller låst spolsträng, där enskilda sammankopplade stålsträngar bildar kabeln (ofta med en spiralsträngkärna).
Spiralsträngen är något svagare än låst spolsträng. Stål spiral strand kablar har en Youngs modul, e av 150 10 kN/mm2 (eller 150 10 GPA) och finns i storlekar från 3 till 90 mm diameter. Spiral strand lider konstruktion stretch, där strängarna kompakt när kabeln är laddad. Detta avlägsnas normalt genom att först sträcka kabeln och cykla lasten upp och ner till 45% av den ultimata dragbelastningen.
låst spolsträng har vanligtvis en Youngs modul på 160 kcal 10 kN/mm2 och finns i storlekar från 20 mm till 160 mm diameter.
egenskaperna hos individerna strängar av olika material visas i tabellen nedan, där UTS är ultimat draghållfasthet eller brytbelastningen:
| 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% |
Strukturformsedit
luftstödda strukturer är en form av dragstrukturer där tyghöljet endast stöds av tryckluft.
majoriteten av tygstrukturerna härleder sin styrka från sin dubbelt krökta form. Genom att tvinga tyget att ta på sig Dubbel krökning får tyget tillräcklig styvhet för att klara de belastningar det utsätts för (till exempel vind-och snöbelastningar). För att inducera en tillräckligt dubbelt krökt form är det oftast nödvändigt att förspänna eller förspänna tyget eller dess stödstruktur.
Form-findingEdit
beteendet hos strukturer som är beroende av förspänning för att uppnå sin styrka är icke-linjär, så allt annat än en mycket enkel kabel har fram till 1990-talet varit mycket svårt att designa. Det vanligaste sättet att utforma dubbelt böjda tygstrukturer var att konstruera skalmodeller av de slutliga byggnaderna för att förstå deras beteende och för att utföra formsökningsövningar. Sådana skalmodeller använde ofta strumpmaterial eller strumpbyxor eller tvålfilm, eftersom de beter sig på ett mycket liknande sätt som strukturella tyger (de kan inte bära skjuvning).
Tvålfilmer har enhetlig stress i alla riktningar och kräver en sluten gräns för att bildas. De bildar naturligtvis en minimal yta-formen med minimal yta och förkroppsligar minimal energi. De är dock mycket svåra att mäta. För en stor film kan dess vikt allvarligt påverka dess form.
för ett membran med krökning i två riktningar är den grundläggande jämviktsekvationen:
w = t 1 R 1 + t 2 r 2 {\displaystyle w={\frac {t_{1}}{r_{1}}}+{\frac {t_{2}}{r_{2}}}
där:
- R1 och r2 är de huvudsakliga krökningsradierna för tvålfilmer eller riktningarna för varp och väft för tyger
- T1 och T2 är spänningarna i relevanta riktningar
- w är belastningen per kvadratmeter
linjer med huvudkurvatur har ingen vridning och skär andra linjer med huvudkurvatur i rät vinkel.
en geodetisk eller geodetisk linje är vanligtvis den kortaste linjen mellan två punkter på ytan. Dessa linjer används vanligtvis när man definierar skärmönstret sömlinjer. Detta beror på deras relativa rakhet efter att de plana trasorna har genererats, vilket resulterar i lägre tygavfall och närmare inriktning med tygväven.
i en förspänd men obelastad yta w = 0, så t 1 R 1 = -t 2 R 2 {\displaystyle {\frac {t_{1}}{R_{1}}}= − {\frac {t_{2}}{r_{2}}}
.
i en tvålfilm är ytspänningarna enhetliga i båda riktningarna, så R1 = – R2.
det är nu möjligt att använda kraftfulla icke-linjära numeriska analysprogram (eller finita elementanalys) för att bilda och designa tyg-och kabelstrukturer. Programmen måste möjliggöra stora avböjningar.
den slutliga formen eller formen av en tygstruktur beror på:
- form eller mönster av tyget
- geometrin hos stödstrukturen (såsom Master, kablar, ringbalkar etc.)
- pretensionen applicerad på tyget eller dess stödstruktur
det är viktigt att den slutliga formen inte tillåter ponding av vatten, eftersom detta kan deformera membranet och leda till lokalt misslyckande eller progressivt misslyckande av hela strukturen.
snöbelastning kan vara ett allvarligt problem för membranstrukturen, eftersom snön ofta inte kommer att strömma från strukturen som vatten kommer. Till exempel har detta tidigare orsakat den (tillfälliga) kollapsen av Hubert H. Humphrey Metrodome, en luftuppblåst struktur i Minneapolis, Minnesota. Vissa strukturer benägna att ponding använda värme för att smälta snö som lägger sig på dem.
det finns många olika dubbelt böjda former, varav många har speciella matematiska egenskaper. Den mest grundläggande dubbelt böjda från är sadelformen, som kan vara en hyperbolisk paraboloid (inte alla sadelformer är hyperboliska paraboloider). Detta är en dubbelstyrd yta och används ofta i båda i lätta skalstrukturer (se hyperboloidstrukturer). Sanna styrda ytor finns sällan i dragstrukturer. Andra former är antiklastiska sadlar, olika radiella, koniska tältformer och vilken kombination som helst av dem.
förspänning
förspänning är spänning som artificiellt induceras i konstruktionselementen utöver eventuell självvikt eller pålagda belastningar som de kan bära. Den används för att säkerställa att de normalt mycket flexibla konstruktionselementen förblir styva under alla möjliga belastningar.
ett dagligt exempel på förspänning är en hyllenhet som stöds av ledningar som går från golv till tak. Ledningarna håller hyllorna på plats eftersom de är spända – om ledningarna var slaka skulle systemet inte fungera.
Pretension kan appliceras på ett membran genom att sträcka det från dess kanter eller genom att förspänna kablar som stöder det och därmed ändra dess form. Nivån på förspänning som appliceras bestämmer formen på en membranstruktur.
alternativ form-finding approachEdit
den alternativa approximerade metoden för form-finding problemlösning baseras på den totala energibalansen i ett nät-nodsystem. På grund av dess fysiska betydelse kallas detta tillvägagångssätt sträckt Rutnätmetod (SGM).