¿Cuál es el método de diseño perfecto para la estructura de celosía en la estrategia de diseño estructural?
La concha reticulada es una estructura de celosía espacial similar a una rejilla plana. Es un marco espacial basado en varillas y dispuesto de acuerdo con la estructura de la concha. Tiene las propiedades tanto de una armadura como de una cáscara. Sus características de transmisión de fuerza se dan principalmente a través de las dos direcciones de tensión, presión o fuerza cortante en la carcasa. Esta estructura es una estructura espacial que ha atraído mucha atención en el país y en el extranjero y tiene amplias perspectivas de desarrollo. La estructura de carcasa reticulada incluye una estructura de carcasa reticulada de una sola capa, una estructura de carcasa reticulada pretensada, una estructura de carcasa reticulada de cono de placa, una estructura de carcasa reticulada soportada por cables con anillos de costillas, una estructura de carcasa reticulada bifurcada de una sola capa, etc.
2. La historia del desarrollo de la estructura de celosía.
El prototipo de la estructura de celosía: la estructura de cúpula. En el desarrollo de la sociedad humana, las estructuras espaciales de gran envergadura son a menudo los sueños y objetivos que persiguen los arquitectos. Entre ellos, el desarrollo de la estructura de concha reticulada ha pasado por un largo proceso de evolución histórica. Para tener un mejor espacio para vivir, los humanos antiguos a menudo usaban ramas como esqueletos y paja como piel exterior para imitar cáscaras de huevos, cabezas de pájaros y cuevas para construir estructuras de cúpula, que son tiendas de campaña primitivas. A medida que los materiales de construcción evolucionaron, la piedra detrás de la cúpula fue reemplazada gradualmente por mampostería. La luz de la cúpula generalmente no es grande, oscilando entre 30 y 40 m. El Panteón Romano, construido entre el 120 y el 124 d.C., es un ejemplo típico de cúpulas tempranas. En el siglo XIX, la aplicación del hierro abrió una nueva era para el desarrollo de cúpulas, y la aparición y aplicación de la teoría estructural moderna del hormigón armado abrió un nuevo campo de cúpulas de carcasa delgada y de gran luz. En 1922, se construyó en Jena, Alemania, el Planetario de Jena, la primera estructura delgada de hormigón armado en la historia de la ingeniería civil.
Planetario de Jena
Con la aparición y aplicación de materiales livianos y de alta resistencia como hierro, acero y aleaciones de aluminio, los ingenieros imaginativos comenzaron a utilizar varias formas de varillas para la estructura de la cúpula. Schwedler, un ingeniero alemán reconocido como el "padre de las estructuras de cúpula", jugó un papel clave en el nacimiento y desarrollo de la estructura de celosía de la cúpula. Propuso un nuevo estilo estructural basado en la cúpula de capa delgada, es decir, la superficie de la cúpula se divide en nervaduras longitudinales y bucles horizontales latitudinales, que están conectados entre sí, y cada rejilla trapezoidal se divide en dos o cuatro triángulos con barras diagonales. , de modo que la distribución de la fuerza interna en la superficie de la cúpula será más uniforme y el peso de la estructura misma se reducirá aún más, permitiéndole abarcar más. Esta estructura de cúpula es en realidad una verdadera estructura de celosía, es decir, aproximadamente la misma rejilla o unidades más pequeñas están dispuestas regularmente a lo largo de una determinada cara, formando así una estructura de varilla espacial.
Concha Reticulada de Schwedler
3. Apreciación de la concha reticulada completada
Fuller Ball
1962 165438+13 de Octubre, Después de muchas vueltas. Y vueltas, Canadá finalmente ganó el derecho a albergar la Exposición Universal de Montreal de 1967.
El Pabellón de Estados Unidos en la Exposición Mundial de Montreal
En la Exposición Mundial de Montreal, el diseño más llamativo fue un enorme edificio esférico. ¿Es este Buckminster? El Pabellón Americano diseñado por Fuller (el gran artista, inventor y científico del diseño estadounidense, 1895-1983). El diámetro de la esfera en el Pabellón de Estados Unidos es de 76 metros y la estructura triangular de malla metálica se combina razonablemente en una esfera. Todo el diseño es simple y novedoso, sin materiales superfluos, y el edificio es como una delicada y hermosa bola de cristal. La aparición de este lugar mundial no sólo convirtió al Pabellón de los Estados Unidos en un edificio emblemático de esta Exposición Universal, sino que también convirtió al diseñador Buckminster? Fuller se hizo famoso.
Yas Viceroy Hotel
Yas Viceroy Hotel (Abu Dhabi) está situado en Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos. El arquitecto jefe está a cargo y Hani Rashid+lise anne couture es responsable del diseño estructural. El hotel está construido mitad en tierra y mitad en agua, y las dos mitades aparentemente separadas están integradas a través de una estructura de malla que cubre la capa exterior. Todo el edificio no sólo es elegante y soñador por la noche, sino que también da a la gente una sensación de grandeza durante el día.
Al mismo tiempo, los componentes estructurales regulares, simétricos y graduales hacen que los ojos de las personas continúen fluyendo junto con las líneas y los pensamientos diverjan a lo largo de la extensión de los componentes.
Isla Muir
La estructura de celosía no solo es adecuada para estructuras de luces largas, sino que también se puede utilizar para construir edificios únicos similares a la isla artificial de la Isla Muir, que satisface la fuerte imaginación de la gente. La isla de Muir se creó para celebrar la "Capital de la Cultura de Graz 2003" y fue diseñada por el diseñador Vito Acconci, radicado en Nueva York. La estructura principal de la isla Moore es una estructura de red espacial, con puentes conectados en serie en ambos lados. Mirando hacia abajo desde la orilla del río, toda la isla en espiral parece una enorme concha plateada. Se considera un clásico que combina arte y arquitectura, sueños y realidad.
Centro deportivo de la Bahía de Shenzhen
La estructura de carcasa reticulada tiene las ventajas de una tensión razonable, una apariencia hermosa, un espacio tridimensional libre complejo satisfactorio y una interferencia mínima entre los soportes internos. favorecido por los grandes recintos deportivos.
El "Capullo de Primavera", conocido como "Nido de Pájaro en el Norte, Capullo de Primavera en el Sur", es la sede principal de la 26ª Universiada - Shenzhen Bay Sports Center 2011. Todo el proyecto abarca una superficie aproximada de 30,74 hectáreas, con una superficie total de construcción de 256.000 metros cuadrados. Es un edificio emblemático en Shenzhen.
La estructura de acero del Shenzhen Bay Sports Center es una estructura espacial compleja ultralarga. El techo de acero consta de una estructura de rejilla de una sola capa (áreas públicas como estadios y plazas de árboles), una rejilla curva de doble capa (gimnasio, piscina) y un sistema de soporte vertical.
La primera capa de celosía es una compleja estructura de rejilla curva espacial con una longitud plana de 532,7 m y un ancho de 240,4 m. La altura máxima relativa al lugar de aterrizaje es de 42,3 m (la elevación del. el lugar de aterrizaje es +6,0 m). A excepción del Dashu Plaza, toda la estructura de celosía del techo está compuesta por una rejilla cuadrilátera tejida directamente a partir de miembros de sección transversal en forma de caja (alto 700 mm, ancho 450 mm), y el tamaño promedio de la rejilla es de aproximadamente 4050 mm.
Piscina del Centro Deportivo Olímpico de Hangzhou: la línea aerodinámica única del "Galaxy Phantom"
La forma de esta piscina deportiva es única. Como puedes ver en la imagen, tiene forma de ala de mariposa. Pero cuando está conectado a una piscina, se siente como un "bikini" gigante.
El techo del Natatorio del Centro Deportivo Olímpico de Hangzhou cubre tres unidades de la estructura inferior de concreto. Es una estructura completa de malla de acero que se extiende naturalmente hasta la plataforma de 8 m.
Las cubiertas de la piscina y del gimnasio son cubiertas inclinadas de malla bicapa de espesor variable. La longitud lateral de la rejilla en forma de rombo de la estructura reticulada es de aproximadamente 5 m, y la longitud diagonal es de aproximadamente 6,3 mx 9,2 m
4. Búsqueda de forma de la estructura de la capa reticulada
Después. Mirando algunos casos de construcción de conchas reticuladas, hablemos de la búsqueda de forma de la concha reticular desde el aspecto estructural. Hay muchos contenidos para encontrar formas estructurales y, por lo general, existen tres métodos principales: método de densidad de fuerza, método de relajación dinámica y método de elementos finitos no lineales. De estos tres métodos, normalmente prefiero el tercero, que es el método de elementos finitos no lineal. Aquí me centraré en los métodos de elementos finitos no lineales.
El principio básico del método de elementos finitos no lineal es simplemente utilizar el método colgante para completar la búsqueda de formas. La descripción del texto es demasiado aburrida, por lo que no entraré en más detalles y solo daré un ejemplo. Si el edificio tiene una cubierta de techo, como una cubierta circular, vea la imagen a continuación.
Revestimiento del edificio
Suponemos que está sostenido por un techo de concreto en todos los lados, y que todo el techo es una estructura de rejilla circular. Lo introdujimos en ABAQUS Dado que los techos generalmente soportan cargas superficiales verticales uniformes, adoptamos un plano invertido y les aplicamos cargas superficiales inversas.
Modelo de elementos finitos de Abaqus
Utilizamos una placa de acero de 5 mm de espesor para simular la carcasa, de modo que su rigidez a la flexión es insignificante. Solo hay tensión de tracción y no hay momento de flexión en la carcasa. . De esta manera encontramos una forma en la que en el casco sólo hay presión pura bajo presión uniforme y no hay momentos flectores debidos al tramo.
Debido a que la estructura de la carcasa es delgada, la resistencia general a la flexión es muy pobre, pero generalmente se usa en estructuras espaciales de gran envergadura, por lo que es necesario encontrar la forma para resolver el momento de flexión causado por la envergadura, que También es uno de los propósitos de la búsqueda de formas. El siguiente paso es importar la forma del caparazón calculada por ABAQUS en Rinoceronte, y luego organizar los componentes del caparazón en el plano y proyectarlos sobre la superficie curva. La estructura de caparazón de la red espacial resultante es el modelo de cálculo estructural que finalmente necesitamos. Todo el proceso es relativamente sencillo, por lo que no lo demostraré en detalle.
Resultados de búsqueda de formas
El método de búsqueda de formas anterior pertenece al método de búsqueda de formas de superficie. Lo que el editor quiere mencionar en este artículo es que el método de búsqueda de forma de varilla se puede utilizar directamente, es decir, las varillas se organizan directamente de acuerdo con la piel del edificio y se realiza un análisis de elementos finitos no lineales en la capa reticulada plana. para obtener la forma final de la concha reticulada, y Dar ejemplos. Si se utiliza una carcasa reticulada esférica Kaiwit de una sola capa para simular el techo de arriba, use la caja de herramientas compilada por el equipo del editor para descubrir directamente la forma de sus componentes, importarla a SAP2000 (software de análisis reconocido) y aplicar una carga superficial. de 5KN/m2 en el lado opuesto. El cálculo resulta de la siguiente manera. Los 3KN.m en la figura son el momento flector adicional producido en cada miembro debido a la carga de la doble guía, y básicamente no hay momento flector causado por la gran luz. La fuerza axial de los miembros parece ser la fuerza dominante en cada miembro.
5. Una pequeña manzana con estructura imaginaria
El editor vio recientemente una foto del edificio de la sede de Apple, de repente quiso ser arquitecto y propuso algunos otros planes de estilo.
Puede hacer un gran atrio con un techo de malla de gran luz en la parte superior del atrio. La forma de la carcasa de malla es el logotipo de Apple.
Edificio de la sede de Apple
El editor utilizó esto como punto de partida para introducir el logotipo de Apple en abaqus. Me gustaría explicar aquí que debido a que el logotipo de Apple es asimétrico, no sé quién lo mordió, por lo que el primer paso es importar abaqus para su cálculo y análisis para descubrir el flujo de tensión principal de la estructura de la carcasa, que proporcionará Déjenos ideas para la disposición de las varillas de la carcasa y orientación.
Modelo Abaqus del logotipo de Apple
Después del cálculo y análisis, el flujo de tensión principal de la estructura principal se muestra en la figura siguiente, y luego los miembros estructurales de la estructura de celosía se organizan de acuerdo con las dimensiones límite del logotipo de Apple. El principio de disposición estructural es que a lo largo de la dirección de los principales flujos de tensiones, estos flujos de tensiones eventualmente se convertirán en fuerzas axiales de los componentes de la carcasa.
Resultados de búsqueda de forma de la estructura reticular del logotipo de Apple
Flujo de tensión principal obtenido del análisis de búsqueda de forma
Este artículo solo organiza la parte de la manzana y la La extensión de la parte de la hoja es relativamente pequeña, este artículo no la analizará. La luz máxima de la estructura es de unos 80 m y la curvatura inicial es de unos 6 m. Después del análisis de cálculo y búsqueda de forma, se encontró que el momento flector del componente de la carcasa es de aproximadamente 1,3 kN.m, y es básicamente un componente de compresión pura.
Con su forma única y hermosa, la estructura de malla es simple, ordenada y ultrafina, lo cual es agradable a la vista. Sin embargo, como ingeniero estructural, es necesario calcular y analizar la estructura del armazón reticulado de gran luz desde muchos aspectos, incluidos sus defectos iniciales, estabilidad general, empuje del soporte del pie del armazón, análisis de simulación de construcción, etc. Sin embargo, a medida que el software informático se vuelve cada vez más maduro, la estructura de celosía se utilizará más en proyectos futuros.
Creo que después de la introducción anterior, todos tienen una cierta comprensión del método de diseño perfecto de la estructura de carcasa reticulada en la estrategia de diseño estructural. Bienvenido a visitar Zhongda Consulting para obtener más información.
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