Σχεδιασμός και Ανάλυση Καλωδιωτών Κατασκευών

Abstract

Οι εφελκυόμενες κατασκευές αποτελούν τη βέλτιστη και οικονομικότερη επιλογή για την ελεύθερη κάλυψη μεγάλων επιφανειών παρέχοντας ξεχωριστό αισθητικό αποτέλεσμα. Η χρήση των εφελκυόμενων κατασκευών διαδόθηκε ευρέως μετά τα μέσα του 20 αιώνα, όταν πλέον ερευνητές και μελετητές έχοντας στη διάθεσή τους τον υπολογιστή και τις νέες μεθόδους ανάλυσης, μπορούσαν να διερευνήσουν και να κατανοήσουν καλύτερα την ιδιαίτερη και περίπλοκη συμπεριφορά τους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να παραθέσει τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς, του σχεδιασμού και της ανάλυσης των εφελκυόμενων κατασκευών, εστιάζοντας στα εφελκυόμενα συστήματα καλωδίων και στην Μέθοδο Πυκνότητας Δύναμης. Το περιεχόμενό της διαχωρίζεται σε δυο γενικά μέρη: στο ΜΕΡΟΣ Ι (Κεφάλαια 1 έως 5), στο οποίο περιγράφονται γενικά οι εφελκυόμενες κατασκευές, δίνοντας έμφαση στη συμπεριφορά τους και στις μεθόδους σχεδιασμού και ανάλυσής τους, και στο ΜΕΡΟΣ ΙΙ (Κεφάλαια 6 και 7), στο οποίο παρουσιάζεται ο σχεδιασμός, η ανάλυση και τα αποτελέσματά ενός απλού παραδείγματος εφελκυόμενης καλωδιωτής κατασκευής. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή σχετικά με την εξέλιξη των εφελκυόμενων συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 2 εισάγεται το κύριο στοιχείο των εφελκυόμενων συστημάτων, το καλώδιο. Με αναφορά στη στατική επίλυση μεμονωμένων καλωδίων υπό τη δράση συγκεντρωμένου και ομοιόμορφου φορτίου περιγράφονται η συμπεριφορά του, η έννοια της γεωμετρικής μη γραμμικότητας, που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά του, και η επίδραση της προέντασης στην τελική απόκριση του. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι εφελκυόμενες κατασκευές, εστιάζοντας στα εφελκυόμενα συστήματα με κύριο στοιχείο το καλώδιο. Περιγράφονται οι διάφοροι σχηματισμοί καλωδίων, οι οποίοι διακρίνονται σε επίπεδους (μεμονωμένα καλώδια και καλωδιωτές δοκοί) και χωρικούς (δίκτυα καλωδίων), και αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται ο σχεδιασμός και η ανάλυση των εφελκυόμενων συστημάτων. Το κεφάλαιο ξεκινά από το πρώτο και σημαντικότερο στάδιο, την εύρεση του αρχικού σχήματος ισορροπίας (form finding) για το οποίο μπορεί χρησιμοποιηθούν είτε φυσικά μοντέλα είτε αριθμητικές μέθοδοι. Οι αριθμητικές μέθοδοι εύρεσης σχήματος που περιγράφονται συνοπτικά, είναι η Φυσική Μέθοδος (Natural Shape Finding), η Μέθοδος της Δυναμικής Χαλάρωσης (Dynamic Relaxation Method) και η Μέθοδος Πυκνότητας Δύναμης (Force Density Method). Τέλος, παρουσιάζονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του επόμενου σταδίου, της στατικής και δυναμικής ανάλυσης. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αναλυτικά η Μέθοδος της Πυκνότητας Δύναμης, η οποία αποτελεί και το κύριο θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε ευρέως τις τελευταίες δεκαετίες, για τον προσδιορισμό των πιθανών μορφών ισορροπίας ενός δικτύου εφελκυόμενων στοιχείων υπό τη δράση δυνάμεων προέντασης και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται αναλυτικά ο σχεδιασμός ενός συστήματος αποτελούμενο από επίπεδες κατακόρυφες καλωδιοδοκούς και συνήθη μεταλλικά στοιχεία για την ελεύθερη στέγαση αίθουσας αθλοπαιδιών. Αναφέρονται οι βασικές αρχές σχεδιασμού βάσει του EN 1993-1-11, η μέθοδος ανάλυσης και τα φορτία που επιλέχθηκαν για την ανάλυση του συστήματος. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται διεξοδικά η ανάλυση για το παραπάνω σύστημα (εύρεση σχήματος στατικής ισορροπίας υπό τη δράση της προέντασης της καλωδιοδοκού και ανάλυση του συνολικού φορέα), τα αποτελέσματα και ο έλεγχος επάρκειας των καλωδίων βάσει του EN 1993-1-11. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, ενώ στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α παρουσιάζεται μια προσεγγιστική μέθοδος για την εκτίμησης της ελάχιστης απαιτουμένης αρχικής προέντασης για ένα σύστημα αποτελούμενο από δυο καλώδια αντίθετης καμπυλότητας. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β παρουσιάζεται το καλώδιο ως δομικό στοιχείο και περιγράφεται η δομή του, οι τύποι των διαφόρων καλωδίων που χρησιμοποιούνται στις εφελκυόμενες κατασκευές, οι βασικές ιδιότητές του και τα στοιχεία σύνδεσης μεταξύ των καλωδίων και αγκύρωσής τους. Τέλος, στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά του λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό και την ανάλυση τους παραδείγματος στο ΜΕΡΟΣ ΙΙ της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

The tension structures suggest the best and most economical choice to span large distances providing, also, unique aesthetic qualities. The widespread construction of tension structures started after the mid-20th century, when researchers and engineers having at their disposal the computer and new methods of analysis, could better understand and investigate the complex behavior of the tension structures. The aim of this thesis is to outline the main features of the behavior, the design and structural analysis of tension structures, focusing on cable systems and on the Force Density Method. In general, the content of the thesis is divided into two parts: the Part I (Chapters 1 to 5), which describes the tension structures emphasizing on the behavior and the methods of design and analysis, and the Part II (Chapters 6 and 7), which presents the design, the analysis and the results of a simple cable structure example. Chapter 1 gives a brief historical background on the evolution of tensile systems. Chapter 2 introduces the main component of a tensile system, the cable. With reference to the static analysis of a single cable, under the action of concentrated and uniform loads, is described the behavior, the inherent geometric nonlinearity and the influence of prestress to the final cable response. Chapter 3 presents the tension structures, focusing on cable systems. It describes the cables systems, which can be classified into plan (single cables and cable trusses) and spatial (cable nets) configurations, mentioning as well their main characteristics. Chapter 4 outlines the design and the analysis of the tensile systems. The chapter starts from the first and most important stage that is the definition of the initial equilibrium configuration (form finding). For the form finding can be used either physical models or numerical methods. The numerical methods mentioned in this chapter are: the Natural Shape Finding Method, the Dynamic Relaxation Method and the Force Density Method. Finally, the most important features of the next stages, the static and dynamic analysis, are depicted. Chapter 5 presents in detail the Force Density Method, which is the main subject of this thesis. The method has been used widely over the past decades, to determine the possible equilibrium shapes of prestressed pin-joined networks. Also, the advantages and disadvantages of the method are discussed in this chapter. Chapter 6 gives the conceptual design of a long span roof tension structure consisting of vertical cable trusses and steel supporting system for the free covering of a sports hall. It also describes the basic design disciplines according to EN 1993-1-11, the method of structural analysis and the design applied loads. Chapter 7 presents in detail the analysis of the aforementioned system (form finding and structural analysis), the results and the cables verification according to EN 1993-1-11. Chapter 8 presents the conclusions, while APPENDIX A presents an approximate method for the estimation of the minimum initial prestress required for two cables with opposite curvature. APPENDIX B introduces the cable as a structural element describing the cable construction, the various types of cables used in tension structures, its main properties, the connection types between the cables and their anchorages. Finally, Appendix C presents the main features of the software used for the designing and structural analysis of the example in Part II of this thesis.