¿Cuestiones clave en el diseño de sistemas de estructuras tensadas?
El siguiente es el contenido relevante sobre el diseño del sistema de estructura de tensión que Zhongda Consulting le ofrece para su referencia.
1. Principios generales del diseño de estructuras traccionadas
El análisis y diseño del sistema estructural traccionado debe dividirse en tres estados: estado geométrico inicial, estado pretensado (inicial) y carga (final). ) estado estado. Aunque es necesario considerar el pretensado en el análisis del estado geométrico inicial del sistema estructural de tracción, el análisis de pretensado del estado geométrico inicial tiene solo el propósito de formar una geometría de superficie curva, mientras que el análisis de pretensado del estado pretensado es el analizar la rigidez de la estructura. Cabe decir que el diseño de rigidez es el contenido principal del diseño estructural. La rigidez estructural se cambia ajustando el pretensado, cambiando así el flujo de fuerza de la estructura y cambiando el rendimiento estructural. Aumentar la sección transversal en el diseño no es un buen método. Cambiar la forma y la rigidez puede lograr el doble de resultado con la mitad de esfuerzo. El análisis del estado de carga implica principalmente la verificación de la resistencia.
En el diseño de estructuras rígidas, se determina la forma geométrica de la estructura y la deformación de la estructura no afecta las características de rigidez de la estructura. Sin embargo, en el diseño de estructuras tensadas es muy importante buscar el análisis y diseño de la forma geométrica inicial. Si la forma geométrica de la estructura está bien diseñada, dañará la estructura o provocará una tensión excesiva en la estructura, provocando dificultades en el diseño de la subestructura o de los componentes del borde. Para estructuras tensionadas de formas complejas, el diseño de sus formas geométricas va acompañado del diseño de las fuerzas de pretensado necesarias para mantener sus superficies curvas. El diseño de la forma geométrica inicial de una estructura en tensión es más difícil y la importancia del diseño analítico es mayor que el diseño analítico del estado de carga.
En el diseño de estructuras tensadas, para garantizar que se pueda aplicar suficiente pretensado, se debe proporcionar una estructura de nudo adecuada. Además de los requisitos de diseño de los nodos generales, los nodos de estructuras en tensión también tienen características importantes que los diferencian de los nodos estructurales tradicionales, es decir, este tipo de nodos tienen la función de cables recíprocos. Por ejemplo, la rigidez del nodo se ve reforzada por la tensión de los elementos de cable y la presión de los elementos de varilla conectados al nodo. La rigidez del nodo de la estructura de tensión se adapta al nivel de tensión del sistema, lo que también es una diferencia importante con respecto al sistema estructural tradicional.
2. Diseño de estructura cable-membrana
La estructura de membrana a tracción es la forma más común de estructura de membrana, es decir, aplicando una determinada fuerza de pretensión al interior de la misma. Material de membrana, tiene la capacidad de resistir cargas externas y por lo tanto actúa como un sistema estructural de materiales estructurales. La estructura de membrana de tracción es una estructura que aplica pretensión al material de la membrana y a los cables de refuerzo para proporcionar rigidez y soportar cargas externas. También se denomina estructura de cable-membrana. Esta forma puede aprovechar al máximo las propiedades mecánicas de los materiales de membrana para formar una estructura de superficie curva espacial ligera, hermosa y moderna. La construcción es simple, rápida y de bajo costo. Se ha utilizado ampliamente en edificios comerciales. , edificios deportivos y otros países extranjeros en diversos campos como edificios industriales, instalaciones al aire libre, edificios culturales y de entretenimiento, etc., el trabajo de aplicación y desarrollo correspondiente ha comenzado gradualmente en nuestro país, y sin duda existen enormes perspectivas de desarrollo.
1. Proceso de diseño de la estructura cable-membrana
La estructura de tensión es una estructura flexible, por lo que su proceso de diseño es diferente de la estructura rígida tradicional en general. Su diseño generalmente se puede dividir en tres etapas: análisis morfológico, análisis de carga y análisis de corte.
(1) Análisis morfológico
El análisis morfológico incluye la determinación de la forma de prueba inicial de la estructura y el análisis del estado geométrico inicial de la estructura, es decir, el proceso de análisis de búsqueda de forma. El propósito es determinar la forma de la estructura de la membrana que satisface las condiciones de contorno del punto de control y las condiciones iniciales de equilibrio de carga de pretensado, así como la distribución de pretensado inicial asociada. El problema de la deformación de una estructura desde el estado inicial al estado de trabajo bajo la acción de cargas externas es un problema de deformación elástica y elástico-plástica, que puede resolverse utilizando elementos finitos no lineales.
(2) Análisis de carga
El análisis de carga consiste en probar si la estructura puede funcionar normalmente bajo la carga del viento, la lluvia o la nieve en el entorno real, sin deformaciones excesivas ni fallas. Arrugas y flacidez. Al realizar el análisis de carga, se debe juzgar la tensión máxima y la tensión mínima en cada unidad calculada. Si se producen arrugas o relajación de la membrana durante el proceso de iteración, la matriz constitutiva de la unidad debe modificarse en consecuencia antes de continuar con la siguiente iteración.
(3) Análisis de corte
El análisis de corte de estructuras de membranas es una tecnología clave en el diseño de estructuras de membranas. Las investigaciones existentes sobre sastrería se llevan a cabo sobre formas geométricas específicas basadas en la determinación de la forma y el análisis de carga. La cuestión más difícil en el análisis de corte es considerar el impacto del alargamiento del material de la membrana en las direcciones de urdimbre y trama causado por el pretensado inicial sobre el material de corte.
La estructura de la membrana es un tipo de estructura de tensión, y su rigidez general la proporciona principalmente el pretensado inicial. El corte y empalme de los materiales de la membrana de una sola pieza se realizan sin tensión, y los materiales de la membrana deben estar en un estado. estado de tensión total después de estirar la estructura. Durante el proceso de análisis de corte, es necesario seleccionar un patrón de corte apropiado y determinar con precisión las coordenadas de conexión para restaurar el material de la membrana desde el estado pretensado en el espacio al estado libre de tensiones en el plano. En circunstancias normales, la rigidez global de la estructura correspondiente tiende a cero. El sistema de ecuaciones no lineales establecido en base a esto pasará a ser un sistema de ecuaciones singulares, y la solución obtenida puede estar mal condicionada. Por lo tanto, cómo restaurar los materiales de las membranas desde un estado pretensado a un estado libre de tensiones es una tecnología clave en el análisis de adaptación de la estructura de la membrana, pero este problema aún no se ha resuelto bien.
Dado que el análisis de corte está relacionado con muchos factores como la forma, el tamaño, la curvatura y las propiedades del material de la estructura de la membrana, la aplicación de varios métodos de corte está actualmente limitada hasta cierto punto. Los métodos de análisis de corte generalmente se dividen en tres categorías: métodos de modelos físicos, métodos de modelos geométricos y métodos de modelos de equilibrio. El método del modelo de equilibrio ha ocupado el principal campo de desarrollo y aplicación del análisis de adaptación de la estructura de membranas debido a su flexibilidad, velocidad y precisión. En la actualidad, los métodos de modelos de equilibrio relativamente maduros incluyen principalmente: método de densidad de fuerza, método de relajación dinámica y método de proyección de transformación transfinita discreta.
2. Características del diseño de la estructura cable-membrana
Aquí se exponen principalmente las siguientes características desde la perspectiva del análisis estructural:
(1) Cable- Los materiales de la membrana no tienen resistencia a la flexión y todos los puntos tienen solo tres grados de libertad en el modelo de análisis. Esta característica en realidad hace que el análisis del sistema cable-membrana sea muy simple en comparación con la estructura de placa y carcasa, que también es una. estructura de la superficie espacial. El sistema cable-membrana se puede simplificar en un sistema de varillas de cadena espacial cuya longitud se puede cambiar arbitrariamente, o la membrana se puede simplificar en una rejilla espacial compuesta por tres o más elementos finitos nodales que se pueden estirar y girar libremente.
(2) Para que los materiales de cables y membranas tengan la capacidad de resistir cargas externas, se les debe aplicar tensión por adelantado para aumentar la rigidez y reducir la deformación cuando no se aplica tensión previa a una sección de. material de cable o membrana, solo depende de su propia rigidez a la tracción inicial para resistir cargas externas. Cuando alcanza un estado de equilibrio, definitivamente se deformará mucho. En este caso, el cable o la membrana no pueden convertirse en un material estructural. Sin embargo, cuando se aplica una cierta pretensión, la deformación bajo la misma carga externa se reducirá considerablemente. Este principio se ha utilizado ampliamente en estructuras de suspensión. En estructuras de membranas de tracción, dado que la fuerza de tracción tiene una distribución espacial relativamente compleja, la magnitud de la fuerza de tracción aplicada generalmente debe determinarse mediante búsqueda de forma por computadora.
(3) La forma inicial del sistema cable-membrana después de aplicar pretensión antes de soportar la carga externa debe determinarse mediante el paso de búsqueda de forma. Al diseñar y analizar el sistema cable-membrana, la estructura debe determinarse. primero se dan las condiciones de contorno. La forma geométrica determinada espacialmente de la estructura después del pretensado aún es impredecible. Cómo determinar la geometría espacial de la estructura cable-membrana bajo determinadas condiciones límite y la correspondiente distribución de tensión previa es el problema que debe resolverse mediante la búsqueda de forma. El problema de búsqueda de forma del sistema cable-membrana es diferente del problema de análisis de carga de la estructura. Al realizar el análisis de carga, se determina y equilibra la forma inicial de la estructura (en general, las fuerzas internas de todos los componentes de una estructura no extensible son cero). Al encontrar la forma, no existe una forma inicial definida que esté en equilibrio. Es necesario partir de la forma geométrica asumida y la distribución de tensión previa para encontrar esta forma inicial que pueda usarse para el análisis de carga. Los resultados obtenidos deben primero satisfacer las condiciones de contorno y segundo satisfacer la distribución de pretensiones para estar equilibrada en todas partes. Los métodos de búsqueda de forma se pueden dividir en dos categorías: métodos físicos y métodos numéricos. El método físico es el método de experimento con modelos, mientras que los métodos numéricos incluyen el método de elementos finitos no lineales, el método de densidad de fuerza, el método de forma natural, el método de relajación dinámica, etc. . La forma inicial de la superficie de la membrana generalmente debe tener curvatura tanto en dirección hacia arriba como hacia abajo para evitar que sea demasiado plana para resistir la presión y la succión del viento. Este debería ser un principio básico para probar y ajustar los resultados de la búsqueda de forma.
(4) El material de la membrana del cable solo puede estar sujeto a tensión, no a compresión. La compresión o tensión cero en realidad causará arrugas en el material de la membrana, y el cable se doblará y deformará, mientras pierde su carga. -capacidad de carga. De acuerdo con esta característica, se debe evitar la aparición de elementos de compresión durante la búsqueda de forma y el análisis de carga. El método específico consiste en establecer un criterio de presión y, una vez que la unidad cumpla con este criterio, se procesará en consecuencia.
(5) La fuerza horizontal y la fuerza de elevación causadas por la carga que actúa sobre la estructura cable-membrana tienen una gran influencia en el diseño de la estructura de soporte y su cimentación. Para resistir fuerzas horizontales y fuerzas de elevación, los cables estabilizadores atirantados se han convertido en componentes comunes en las estructuras de soporte. La cimentación utiliza husillos de anclaje antitirones.
Si se adopta la forma de una columna independiente, la columna se convertirá en un miembro de flexión. Si su base sigue siendo una base independiente, puede haber una gran excentricidad y se debe realizar un tratamiento especial durante el diseño. Miembros horizontales cerrados, como anillos. Se utilizan a menudo en estructuras grandes en forma de vigas o aros para soportar fuerzas horizontales.
3. Conclusión
La estructura de tensión es una nueva forma estructural que integra arquitectura, mecánica estructural, mecánica de materiales e informática. Definitivamente será la corriente principal del desarrollo de estructuras espaciales en el siglo XXI. siglo. . Existen muchos métodos para diseñar estructuras de membranas, pero falta una teoría sistemática y todavía quedan muchos problemas que deben resolverse y estudiarse. Por ejemplo, problemas de aislamiento de vibraciones de edificios de membrana, problemas del ambiente interno, problemas de derretimiento de nieve de los materiales de membrana de techo, problemas de aislamiento térmico, problemas de acumulación de polvo, etc. También es necesario combinar la teoría de cálculo actual con computadoras y desarrollar el software correspondiente para estudiar cables. Estructuras de membrana. Respuesta a la vibración del viento para resolver problemas que surgen durante el diseño y construcción de estructuras de cable-membrana.
En China, la investigación sobre estructuras de membranas aún está en su infancia y todavía hay mucho espacio para el desarrollo. El próximo "Reglamento de diseño y construcción de estructuras de membranas" de mi país definitivamente promoverá un mayor desarrollo. estructuras de membrana Siempre que se aprovechen al máximo las ventajas de la estructura de membrana y se centren en sus deficiencias, la estructura de membrana será más razonable, económica y segura, y seguramente logrará un mayor desarrollo.
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