ניתוח עומס עבור חלל מבנה כיפת גיאודות

הקדמה: מדוע חישוב חומר עבור חלליות ו Domes גיאודות

מסגרות חלל ו דומיות גיאותיות עומדות בין המערכות המבניות היעילות ביותר אי פעם.היכולת שלהן להתגבר על מרחקים גדולים עם חומר מינימלי הפכה אותם פופולריים באיצטדיון, אולמות תצוגה, חממות ואפילו בתי גידול פלנטריים יעילים ביותר.אבל האלגנטיות הגיאומטרית שנותנת למבנים אלה גם דורש הבנה קפדנית של איך העומסים עוברים דרך כל צומת וחבר.

מאמר זה מכסה את יסודות ניתוח עומס עבור מבנים דום גיאוגרפי, מן סוגי הכוחות עליהם להתנגד למהנדסים חישוביים להשתמש כדי להבטיח בטיחות וביצועים. בין אם אתה מהנדס, אדריכל או סטודנט, להבין עקרונות אלה חיוניים לעבוד עם מבנים אלה החלים.

Defining Spaceframes and Geodesic Domes

חללים: שלושה-מונים

מערכת חלל היא מערכת תלת-ממדית המורכבת מתחנות ניתוק מסודרים בדפוס גאומטרי, בדרך כלל רשת משולשת או tetrahedral. בניגוד למטמים מתכננים, חללים מעבירים עומסים בכיוונים מרובים, ומאפשרים להם לכסות עיגולים עצומים עם תמיכה פנימית מינימלית. הם משמשים בדרך כלל בגגות עבור שדות תעופה, מרכזי, מבנים תעשייתיים.

שם מקור: Geodesic Domes: Spheres from Triangles

מופקד על ידי R. Buckminster Fuller, dome הגיאוגרפי הוא מעטפת spherical או חלקית spherical עשוי מרשת של משולשים המתמזגים כדי ליצור מסגרת נוקשה. כי משולשים הם יציבים מטבעם, dome מפיץ עומסים אפילו על פני השטח שלה, מה שהופך אותו חזק במיוחד למשקל שלה.ה הגיאומטריה מאפשר גם עבור רחב רחבות רחבות רחבות ללא עמודות פנים.

שני הסוגים המבניים מסתמכים על אותו עיקרון הליבה: פירוק משטח גדול או נפח ליחידות קטנות, חוזרות ונשנות שערוץ פועל ביעילות.אבל יעילות זו רק מתבטאת כאשר ניתוח עומס מהווה כל כוח שניתן להעלות על הדעת.

סוגים של עומסים על חללים ו Domes גיאודות

לנתח מבנה, מהנדסים לזהות תחילה את כל העומסים האפשריים שהוא עשוי להיתקל במהלך חייו.עומסים אלה נופלים לשלוש קטגוריות: מתים, חיים וסביבתיים.עבור חללים ו ⁇ , ההבחנה חשובה במיוחד משום שהטבע הקל משקל שלהם הופך אותם רגישים לכוחות מסוימים יותר מאשר מבנים כבדים יותר.

תגית: Dead

עומסי מתים כוללים את משקל המבנה עצמו – העקרות, הצמתים, הנפיחות, בידוד, וכל ציוד מחובר לצמיתות. כי מסגרות חלל ו ⁇ גיאות נועדו לעתים קרובות להיות קל משקל, עומס מת הוא אחוז קטן יותר של העומס הכולל מאשר בבנייה המסורתית.עם זאת, השמצה מדויקת היא קריטית.

תגית: Live Loads

עומסי חיים הם כוחות זמניים או מזיזים.עבור גגות חלל, העומס החי העיקרי הוא לעתים קרובות הצטברות שלג.גאומטריה של דום גיאודסי יכול לגרום להתפלגות שלג לא אחידה - עכשיו עשוי להחליק את פני השטח העקומה או לאסוף בעמקים בהתאם להסדר הלוח. בדומה לכך, עומסי דיקור עבור מבנים דום המשמשים כאולמות ציבוריים חייבים לקחת בחשבון עבור קהלים, ישיבה קשה, ומזג אוויר, אם כי לעתים קרובות יכול לחיות תחת עומסי סביבה.

מטען סביבתי

(FLT:0) Windd Loads: FLT:1 Wind אינטראקציה עם משטחים מעוקלים ופנים בדרכים מורכבות.על דום גיאותי, לחץ רוח עשוי להיות הגבוה ביותר בצד הרוח וליצור הסתמכות על הצד היבש למעלה. CFD (חומרי נוזל) מחקרים משמשים יותר ויותר לדגום אפקטים אלה, אך בדיקות רוח מסורתיות נשארות בעלות ערך למשך חלל רדוד או רציפים על גבי גגות, יש צורך לקרקע אחורית.

(FLT:0) ⁇ : ⁇ :1 כי מסגרות חלל ו domes הם בדרך כלל קל משקל ודוכסי, הם לעתים קרובות מבצעים היטב במהלך רעידות אדמה.עם זאת, ההתנהגות הדינמית של מום - התדרים הטבעיים והצורות של מצב - יש לנתח כדי להבטיח כי זה לא מהדהד עם תנועה הקרקעית.

(FLT:0) Thermal Loads:FLT:1 טמפרטורה שינויים לגרום חומרים להתרחב ולחוזה.במסגרת חלל עם חברים ארוכים, הרחבה תרמית יכולה לגרום ללחץ משמעותי אם המבנה אינו חופשי לנוע. ג'דסי, עם משטחים מעוקלים שלהם, יכול לחוות התרחבות שונה בין צדדים שמשיים וצלים. מהנדסים חייבים לספק הרחבות או להשתמש בחומרים המתאימים של התרחבות.

(FLT:0)Ice ו Snowmia: FLT:1 באקלים קר, טעינת קרח יכולה להוסיף משקל משמעותי.על מום, קרח יכול להיווצר על פני השטח החיצוני, הוספת עומס מת ופוטנציאל לטעינה לא מאוזנת.צורה של הדום יכול לשפוך שלג באופן טבעי, אבל אם הדום הוא רדודה, שלג עשוי לצבור קודי בנייה מקומיים המפרטים את השלג הנדרש עבור גגות שונות.

שיטות ניתוח טעינה: מ Hand Calculations to FEA

ניתוח מסגרת תלת-ממדית או מעטפת spherical דורש שיטות ללכוד את מסלולי העומס המורכבים.מהנדסים יש חבילה של כלים זמינים, החל בדיקות איזון פשוטות ועד סימולציות מחשב מתוחכמות.

ניתוח סטטי

ניתוח סטטי מניח כי העומסים מוחלים לאט ונשארים קבועים.עבור חללים, זה בדרך כלל כרוך פתרון לכוחות בכל חבר באמצעות שיטת מפרקים או שיטת סעיפים. עבור domes גיאו-desic, חישובי יד הם לא מעשי עבור המבנה המלא, אבל סימטריה ניתן לנצל כדי להפחית את הבעיה ניתוח סטטי חוזר נותן את הלחץ ואת הסטיות תחת עומס מת ועומס חי את כל ההשפעות הדינמיקה או חוסר יציבות.

ניתוח דינמי

ניתוח דינמי רואה עומסי זמן, כגון גלי רוח, רעידות אדמה או מכונות רוטטציה.המסה של המבנה, קשיחות, ולחות לקבוע את התגובה שלו.עבור ⁇ , תדירות הבסיסית היא לעתים קרובות נמוכה למדי בגלל רחב טווח ועומס קל שלהם מהנדסים להשתמש ניתוח מודולי כדי למצוא תדרים טבעיים ולאחר מכן ליישם ניתוח ספקטרום תגובה עבור עומסי סיסמי או ניתוח היסטוריה עבור רשומות רוח ספציפיות, הם גורמים דינמיים.

ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA)

ניתוח אלמנט פינט הוא השיטה החזקה ביותר בשימוש נרחב עבור מבנים מורכבים כמו חללים ו domes גיאודות.המבנה הוא מלוטש לאלמנטים קטנים (תינוקות, פגזים או אלמנטים מוצקים), והתוכנה פותרת את המשוואות השולטות עבור כל אלמנט בו זמנית.

התנהגות לא ליניארית (הפצה של עיוותים, הפלסטיות החומרית)
ניתוח באקלינג (ביקורת על דומים מעוקלים ו struts)
השפעות סטיות ומצמרפות
קשר בין חברים

חבילות תוכנה מודרניות כמו SAP2000, ETABS, ANSYS, ו- STAAD להציע כלים מיוחדים למסגרות חלל ו- domes. עם זאת, איכות ניתוח FEA תלויה במודל מדויק של חיבורים, תכונות חומריות, ותנאי גבול.טעות נפוצה היא להניח מפרקים נוקשים כאשר הקשרים בפועל הם חצי-קשיד, המוביל לכוחות לא נכונים.

המונחים: Load Distribution

ברגע שעומסים ושיטות ניתוח מבינים, המהנדס חייב להבטיח שהמבנה יכול לעמוד בפני העומסים האלה בבטחה.עקרונות עיצובים אחדים חשובים במיוחד למסגרות חלל ונקודות דומיות גיאות.

גמישות

הגיאומטריה המשולשת של שתי המערכות מספקת יציבות פנימית.עם זאת, ההסדר של חברי חייב להימנע ממנגנונים – מנגנונים המאפשרים תנועה ללא עיוות חברתי.עבור מסגרות חלל, יש לאפשר חיבורי הצומת להעביר כוחות בשלושה ממדים. ב domes גיאו-desic, הריצוף עצמו מספק קשיחות; צלחת משולשת שטוחה תדרוש מומים עמוקים כדי למנוע את ההתמוטטות.

בחירה חומרית

חומרים נפוצים למסגרות חלל ו ⁇ כוללים:

(ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ : 1 גבוה כוח, דוקטריה, זמין לעתים קרובות עבור דומים רחבים ומרחב תעשייתי.
(ב) ⁇ :0 (אלמומיה: 1) משקל אור, קורוזיון-resistant. פופולרי עבור דומים ומבנים ניידים בסביבות רגישות.
(ב) ⁇ :0) ⁇ ומורכבים: FLT:1 חומרי התפתחויות עבור דומים בר קיימא ונקודות חלל, אם כי שיטות הצטרפות הן מורכבות יותר.

המודולולים של החומר של גמישות וכוח התשואות קובעים גדלים חברים. עבור פגזים דום, ההתנגדות המבזבזת קשורה ישירות לנוקשות החומר, כל כך ⁇ אלומיניום דק עשוי לדרוש יותר רפיח או טבעות קשיחות.

תמימות ורובוסטנס

שום מבנה אינו חסין מפני נזק מקרי או כישלון מקומי.מהנדסים מעצבים עבור חברי ה-FLT:0 [התרסנות ההתמוטטות ההתמוטטות ההתמוטטות ההתמוטטות] 1 על ידי הבטחת שאם אחד מהם נכשל, העומס יכול להפיץ מחדש לחברים שכנים מבלי לגרום לתגובה שרשרת.במסגרת החלל, זה מושג לעתים קרובות על ידי הגדלת גודל חבר או הוספת גירודנות דיגוניסטית, אם כי משולש טבעי יכול להוביל למשולש אדום, אם כי הוא עלול להוביל לדרגה גבוהה יותר, אם כי הוא יכול להוביל את ה-כך, אם כי הוא מסוגל להוביל את ה-"מחדש"מחדש"מחדש"מחדש"ד"ד"ד"ד"ל" אם כי הוא"ל" אם כי הוא"ד"ד"לעמוד מאוחר יותר, אם כי הוא"ד"מחדש"מחדש"ל מדגיש"מחדש"ד, אם כי אם כי אם כי הוא מאוחר יותר, אם כי הוא עשוי להוביל לדרגה"ד, אם כי הוא עשוי להוביל את הגדלה"ד, אם כי הוא יכול להוביל לכך, אם כי הוא עשוי להוביל את הגדלה"מחדש"ד, אם כי הוא עשוי להוביל את הגדלה"ד, אם כי הוא יכול להוביל את ה-"ד,

עיצוב

הקשרים (nodes) במסגרות חלל ו domes הם לעתים קרובות הרכיבים הקריטיים והיקרים ביותר. a טיפוסי Spaceframe node חייב להצטרף מספר רב של סטיות בזווית מדויקת.מערכות כמו Mero, Nodus, ו-Uccanatube להשתמש בבלוטות spherical עם חיבורים משוררים.עבור dodesic domes, מיקוח חייב להתאים את הזווית השונות בין עוקץ נמוך יכול להוביל למתח, או למתח, או למתח, היא חייבת להיות מסובייקט.

התנהגות ייחודית של כיפות גיאודות

דומים גיאודותיים מציגים התנהגות שונה ממסגרות חלל:

(FLT:0) הפעולה של מנברן: FLT:1 The dome פועל בעיקר כפגז דק, עם כוחות נוסעים לאורך פני השטח בדחיסה ומתח.רשת משולשת משוערת מעטפת מתמשכת, אבל חברי הדיסקרטי יכולים להציג את הכתמים המקומיים אם גודל הלוח גדול מדי.
(ב) ⁇ :0) ⁇ (ב"ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) תגובות:0 (הדגשה: 1) A Full Geodesic dome (hemisphere) מייצר דחף חיצוני בבסיס, אשר חייב להיות מתנגד על ידי טבעת מתח או כבל מוטות לייצר פחות דחף אבל עשוי להיות יותר מכווצים.

מסגרות חלל, לעומת זאת, בדרך כלל יש תמיכה אנכית לאורך המטר (קומונים) ומתנהגות יותר כמו רשת קרן דבורים רציפה.ניתוחם מדגיש לעתים קרובות את שליטה הנימק ולא את הבלוטות.

תוכנה וכלים לניתוח טעינה

בעוד בדיקות ידיים בסיסיות הן ערך עבור אימות, בפועל מודרני מסתמכ על תוכנה מיוחדת.חלק מהכלים הנפוצים כוללים:

(FLT:0SAP2000IRFLT:1) - ניתוח מבני כללי עם תכונות טובות שאינן לינאריות ויציבות; כולל מודול עיצוב חלל.
(ב) [15] [15] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) [15] [15] [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) Libug ToolsFLT:1 - תוסף קוד פתוח עבור Grasshopper המשלב ניתוח סביבתי (wind, שמש) עם גיאומטריה מבנית.

עבור domes גיאודות, כלים עיצובים מטריים כמו Grasshopper עבור Rhino מאפשרים דור מהיר של dome גיאוגרפימטים ולהעביר אוטומטית ניתוח מבני באמצעות Karamba3D או Sofistik. שילוב זה מאפשר אופטימיזציה של גדלים חברים וזווית node.

פרויקט עדן: The Eden Project Biomes

פרויקט עדן בקורנווול, בריטניה, כולל שני דומים גיאודות מסיביים דיור טרופי וים התיכון.כל אחד מהם הוא מסגרת חלל של לוחות פלדה hexagonal ו pentagonal מכוסה ETFE סולל.ניתוח העומס היה צריך לקחת בחשבון עבור כוחות הרוח על הצורה הלא סדירה, עומסי שלג (rare but possible), והתרחבות תרמית של לחות פנימית Finite שימש ניתוח כדי לבצע ניתוח רוח דק, להבטיח את גודל כהה.

מגמות עתידיות בניתוח עומס עבור מסגרות חלל ו Domes

ההתקדמות בתחום חישוב ומדע החומרי דוחפת את הגבולות של מה מבנים אלה יכולים להשיג.אלגוריתמים עיצוביים יצרניים יכולים כעת לייעל את הטופולוגיה של מסגרת החלל למשקל מינימלי תוך עמידה בכל קריטריונים של עומס.מודלים של למידת מכונות מפותחים כדי לחזות את ההתפלגות של לחץ הרוח על domes מהר יותר מאשר CFD. וחומרים חדשים, כמו פולימרים המופעלים על ידי פחמן-מרוסים, דורשים גישות ניתוח מותנות משתנות בגלל חוזקם משולב, עיצובים של יצירתם של חומרים גיאומטרידים, ומגמה מלאה, קריפטומטריה, כלומר, קריפטומטריה, כלומר, כלומר, עיצובית, עיצובית, חומרים חדשים, חומרים חדשים, קריפטומטריה, כמו פחמן-אווירה של חומרים חדשים, קריפטומטריה, קריפטומטריה משולבת, קריפטומטריה, כלומר, כלומר, חומרים חדשים, קריפטומטריה, קריפטומטריה, כלומר, כלומר, יצירת קשר עם חומרים חדשים, כלומר, יצירת קשר עם חומרים חדשים, יצירת קשר עם חומרים חדשים, קריפטומטריה, קריפטומטריה, קריפטומטריה, חומרים חדשים, כמו פחמן-פריטיסציה משולבת, כמו פולימרים משולבים, כמו פחמן-מחדשניים, כמו פולימרים משולבים, כמו פחמן-מחדשניים, כמו פולימרים משולבים באופן

מסקנה

ניתוח עומס הוא עמוד השדרה של מערכת חלל בטוחה ויעילה ועיצוב דום גיאודותדי. על ידי הבנה של הרוגים, חיים, עומס סביבתי, החל שיטות סטטיות או דינמיות מתאימות, ושימת לב זהירה גיאומטריה, חומרים, קשרים, מהנדסים יכולים ליצור מבנים שהם נועזים ותלויים.הזמינות הגוברת של FEA רבת עוצמה וכלים parametric מאפשר לחקור צורות שהיו בעבר מורכבות מדי לנתח, המבטיחים מבנים אלה ימשיכו לעורר השראה לדורות הבאים.

לקריאה נוספת, מומלץ להתייעץ עם מסגרת החלל של AISC (הנקראת "FLT") 1:1 או The FLT:2Britannica כניסה על מסגרת חלל: 3 עבור צלילה עמוקה לתוך מתמטיקה דו-מימית גיאודות, ראה את ה- 4Buckminster Fuller InstituteFLT:5.