Тенсегрити-структуры применяются как в гражданском, так и в архитектурном строительстве, в основном в таких конструкциях, как купольные сооружения, башни, крыши стадионов, временные сооружения, а также палатки.
Тенсегрити также называют напряженной целостностью или плавающим сжатием, включающим структурный принцип для создания сложных систем, состоящих из элементов, которые находятся только в сжатии или растяжении. В развернутом виде он состоит из струн, которые находятся в напряжении, и стержней, которые находятся в сжатии.
Струны имеют свойство складываться, быть легкими, но прочными. Это дает нам понять, что структуры тенсегрити приобретают потенциал быть легкими, но прочными, а также развертываемыми. Многие исследователи дают следующие определения этому слову: “Система тенсегрити образуется, когда набор прерывистых сжимающих компонентов взаимодействует с набором непрерывных растягивающих компонентов для определения стабильного объема в пространстве”.
Существует огромная литература по геометрии и архитектурной привлекательности структурных систем тенсегрити, но меньше исследований по динамике и механике этих структур.
Причины концепции тенсегрити, включая стабилизацию напряжения, эффективную разработку структур, развертываемость и легко настраиваемые свойства, заставляют обратить новое внимание на эту концепцию.
Содержание: [показать]
Примеры тенсегритных конструкций, используемых в гражданском строительстве
Некоторые примеры показаны на рисунке ниже.
Игольчатая башня
Американский скульптор Кеннет Снелсон спроектировал башню-иглу, расположенную в США. Эта высокая скульптура представляет собой сужающуюся башню, изготовленную из алюминия и нержавеющей стали. Согласно принципу, алюминиевые трубки толкаются, удерживаемые вместе проволокой из нержавеющей стали, продетой через концы трубок.
Олимпийский стадион в Мюнхене
Estadio Ciudad de La Plata
Запатентованная концепция крыши Telstar Tensegrity использована для двойного контура пика и конфигурации плана. Она больше похожа на вантовую купольную конструкцию, чем на обычную конструкцию крыши. Первые исследования по проектированию тенсегрити-решеток были проведены Снелсоном, но их применение было ограниченным.
Применение структур тенсегрити
Применение структур тенсегрити целесообразно в различных областях гражданского строительства, таких как:
- Кровельные конструкции
- Мосты
- Интеллектуальные конструкции
Кровельные конструкции с использованием структур тенсегрити
Важным примером применения тенсегрити в конструкциях крыш является стадион в Ла-Плата (Аргентина), основанный на призовой концепции, разработанной архитектором Роберто Феррейра.
В проекте запатентованная концепция крыши Telstar Tensegrity адаптирована к контуру двойной вершины и конфигурации плана, и, следовательно, она больше похожа на вантовую купольную конструкцию, чем на обычную конструкцию крыши.
Первые исследования по проектированию решеток Tensegrity были проведены компанией Snelson, но их применение было ограничено. В течение последних нескольких лет основное внимание уделялось разработке двухслойных решеток Тенсегрити и складных систем Тенсегрити. Этот вид решеток имеет наиболее реальные возможности в области стен, крыш и покрывающих конструкций.
Мосты с использованием тенсегрити-структур
Проектирование двойных решетчатых систем вызвало интерес к применению Тенсегрити для строительства мостов. Недавним достижением в этом отношении является мост Курилпа в Брисбене, Австралия. Это самый большой в мире мост Тенсегрити, который был открыт 4 октября 2009 года.
Мост Курилпа, Брисбен, Австралия
Вантовая конструкция, основанная на принципах тенсегрити, создающая синергию между сбалансированными компонентами растяжения и сжатия для создания легкой и невероятно прочной конструкции.
Мост длиной 470 м с основным пролетом 120 м имеет две большие смотровые площадки и площадки для отдыха, две зоны отдыха и непрерывный всепогодный навес по всей длине моста.
Навес поддерживается вторичной конструкцией тенсегрити. По оценкам, в мост вмонтировано 550 тонн конструкционной стали, включая 6,8 км спирально-натянутого кабеля.
Интеллектуальные конструкции
Гражданские сооружения в основном статичны. Одной из сложных функциональных задач для инженерных сооружений является активная адаптация к изменяющимся требованиям, таким как изменение нагрузки, колебания температуры, осадка опор и возникновение повреждений.
Концепция активных структур включает в себя структуры, которые включают как статические, так и активные структурные элементы. Адаптивные структуры определяются как структуры, работа которых контролируется системой, состоящей из датчиков, исполнительных механизмов и компьютера, который обеспечивает способность обучаться и улучшать реакцию на изменение окружающей среды.
Система структур Tensegrity приобретает потенциал адаптации к изменениям в окружающей среде, поэтому они могут быть оснащены активными системами управления.
Основные характеристики структур Tensegrity
Эти структуры основаны на сочетании нескольких конструктивных схем. Благодаря этим закономерностям ни один член конструкции не испытывает изгибающего момента. В качестве конечного продукта получаются исключительно жесткие конструкции для своей массы и для поперечного сечения компонентов. Комбинации конструкций следующие:
Преимущества структур тенсегрити
Тенсегрити как структурная система предлагает множество преимуществ по сравнению с обычными структурными системами. Предлагаемые преимущества описаны ниже:
Стабилизация конструкции за счет растяжения
В отличие от сжатия, растягивающийся элемент приобретает жесткость по мере нагружения. При сжатии жесткость теряется двумя способами: Силы действуют точно через центр масс, при отсутствии изгибающих моментов в осевых нагруженных элементах.
Происходит увеличение диаметра центрального сечения, так как материал распространяется во время нагрузки. В случае растягивающихся элементов происходит уменьшение поперечного сечения под нагрузкой. Пруток становится более мягким в результате изгибающего движения из-за наличия изгибающих моментов.
Здесь линия приложения силы проходит в стороне от центра масс. У большинства материалов прочность на растяжение продольного элемента больше, чем прочность на смятие (песок, каменная кладка и неармированный бетон являются исключениями из этого правила). Следовательно, большое отношение жесткости к массе может быть достигнуто путем увеличения использования растягивающих элементов.
Легко настраивается
Тенсегрити-структуры легко настраиваются. Эта техника позволяет вносить небольшие изменения для точной настройки нагруженных структур или, другими словами, корректировать поврежденную структуру. Структуры, разработанные с учетом возможности настройки, станут важной особенностью механических конструкций следующего поколения, включая гражданские инженерные конструкции.
Развертываемые
Эта особенность структур Tensegrity обеспечивает преимущества в эксплуатации и мобильности. Переносной мост или опору ЛЭП, выполненную в виде структуры Tensegrity, можно изготовить на заводе, хранить на грузовике или вертолете в небольшом объеме, перевозить на строительную площадку и разворачивать, используя только лебедки для возведения посредством натяжения тросов.
Это позволило бы сэкономить транспортные расходы за счет уменьшения необходимой массы или отсутствия необходимости в рабочей силе для установки.
Эффективные конструкции
Эффективность конструкции возрастает с увеличением минимальной массы конструкции при заданном наборе жесткостных характеристик. Расположение продольных элементов в очень необычной схеме для достижения максимальной прочности при малой массе выделяют тенсегрити-структуры.
Надежное моделирование
Члены структуры тенсегрити подвергаются осевой нагрузке. Научная особенность структур Tensegrity заключается в том, что, хотя структура изгибается под действием внешних статических нагрузок, ни один из отдельных членов не испытывает изгибающих моментов.
Элементы, испытывающие деформацию в двух или трех измерениях, сложнее моделировать, чем элементы, испытывающие деформацию в одном измерении. Поэтому ожидается, что увеличение использования растягивающихся элементов приведет к повышению эффективности конструкций.
Выполнение нескольких функций
Тензорешетчатые структуры выполняют множество функций, таких как несущий элемент конструкции, датчик (измеряющий натяжение или длину), исполнительный механизм (например, никель-титановая проволока), теплоизолятор или электрический проводник.
Правильный выбор материалов и геометрии позволяет контролировать электрическую, тепловую и механическую энергию в материале или структуре.
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Пизанская башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача?.
- Стадион Нарендры Моди: Особенности строительства самого большого крикетного стадиона в мире.
- Башни подвесных и вантовых мостов – функции и концептуальный дизайн.
- Характеристики мостов на вантовых опорах во время землетрясений.
- Мост Бандра-Ворли: Самый длинный в Индии вантовый мост в открытом море.
- Часовая башня Биг-Бен: тиканье с наклоном.