PL226959B1 - Rozkładalny ciegnowo -pretowy moduł konstrukcyjny - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest rozkładalny cięgnowo-prętowy moduł konstrukcyjny w postaci przestrzennego układu zawierającego elastyczne cięgna osiowo rozciągane oraz sztywne pręty osiowo ściskane, przy czym elastyczne cięgna i sztywne pręty są połączone swymi końcami w przegubowych węzłach, a moduł stanowi sztywną konstrukcję przestrzenną znaną pod nazwą modułu tensegrity.

Większość współczesnych materiałów konstrukcyjnych przenosi najbardziej efektywnie obciążenie rozciągające. W elementach konstrukcji poddawanych wyłącznie rozciąganiu, takich jak: liny, kable, druty czy taśmy można zastosować mniejsze pola przekroju poprzecznego, co prowadzi do uzyskania z minimum materiału, maksymalnej wytrzymałości lub sztywności tych elementów. By nadać sztywność geometryczną sieci połączonych elementów rozciąganych koniecznym jest wprowadzenie w sieć cięgnową prętów osiowo ściskanych. Charakterystyczne konfiguracje cięgien i prętów, połączonych przegubowo ze sobą wyłącznie końcami i tworzących samodzielnie sztywną całość noszą nazwę systemów „tensegrity”. Systemy te nie wymagają w zasadzie żadnych zewnętrznych punktów podparcia do utrzymania swojego kształtu. Każdy z takich układów stanowiący moduł tensegrity przypomina wyglądem zewnętrznym kratownice, jednak w odróżnieniu od nich podstawową cechą wymienionych układów jest jednorodność naprężeń w każdym elemencie konstrukcyjnym. Oznacza to, że bez względu na rodzaj obciążeń zewnętrznych wszystkie cięgna wchodzące w skład modułów tensegrity przenoszą wyłącznie rozciąganie a wszystkie pręty wyłącznie ściskanie osiowe. W omawianym systemie wzrost obciążenia powoduje zwiększanie się sztywności cięgna, natomiast ściskany osiowo pręt o podobnych wymiarach może stosunkowo łatwo utracić stabilność i kształt na skutek wyboczenia, na co głównie wpływa jego długość, co stanowi o tym by maksymalnie ograniczać tą długość.

Aktualnie zgodnie z katalogiem systemów tensegrity Anthony'ego Pugha wyróżnia się systemy sferyczne i cylindryczne. Podaje on też między innymi trzy podstawowe wzory konfiguracji strukturalnych, a mianowicie wzór rombowy, wzór obwodowy i wzór skośny, które wyróżnia względne położenie prętów w opisywanym systemie. Każdy z wymienionych systemów tensegrity przedstawia sobą charakterystycznie skonfigurowany, samodzielnie sztywny przestrzenny układ cięgien i prętów, który można traktować indywidualnie jako integralną strukturę lub łączyć na różne sposoby z innymi jednostkami uzyskując strukturę złożoną, na przykład modularną.

Samodzielnie sztywne struktury cięgnowo-prętowe posiadają liczne szczególnie pożyteczne właściwości, do których należy zaliczyć to, że:

• są bardzo lekkie w porównaniu z innymi strukturami o podobnej wytrzymałości, • dzięki wewnętrznej stabilności są niezależne od siły grawitacji, są stabilne w każdym położeniu, • elementarne moduły tensegrity można łączyć ze sobą celem utworzenia na przykład dźwigara lub bardziej skomplikowanego konglomeratu modułów, • wzrost naprężenia wewnętrznego tensegrity powoduje wzrost jej udźwigu pod obciążeniem zewnętrznym, • zależnie od geometrii układu w jaki połączono składniki struktury tensegrity oraz zastosowanych materiałów, może ona być bardzo elastyczna albo bardzo sztywna, • relacja struktur tensegrity na obciążenie nie jest liniowa; podobnie jak wiszące mosty, są one bardziej sprężyste pod niewielkimi obciążeniami, ale ich sztywność wzrasta gwałtowanie jeśli obciążenie staje się większe, • wszelkie naprężenia bez względu na miejsce ich powstania są rozprowadzane po wielokierunkowo pracującej sieci dzięki czemu, w konstrukcjach takich nie istnieją punkty lokalnego osłabienia lub kumulacji naprężeń, • struktury tensegrity można łatwo wprawić w drgania ponieważ bardzo gwałtowanie przekazują obciążenia, które przez to nie mają charakteru lokalnego; ma to szczególne znaczenie w tłumieniu wibracji i wstrząsów sejsmicznych na terenach gdzie problemem są trzęsienia ziemi, • zdefiniowanie geometrycznej formy pojedynczych modułów tensegrity, które są stabilne same w sobie, pozwala na łączenie modułów ze sobą, co umożliwia nie kończącą się rozbudowę zmontowanej całości; na przykład można bardzo ekonomicznie wykonać odpowiednio sprężyste konstrukcje wież, mostów, kopuł i tym podobnych.

PL 226 959 B1

Z kolei do wad tych rozwiązań należy zaliczyć to, że:

• w bardziej złożonych konstrukcjach występują problemy kolizji prętów; pręty zaczynają się krzyżować wówczas, kiedy wzrasta skala projektu, • struktury sferyczne i kopułowe są skomplikowane i bardzo trudne do wykonania, • dla utrzymania nośności granicznej należy wywołać wystarczająco wysokie naprężenie wewnętrzne co może być trudne w konstrukcjach o dużych rozmiarach, • w klasycznych systemach tensegrity w celu dokonania regulacji sztywności zazwyczaj skraca się jedno cięgno, lub wydłuża jeden pręt co powoduje zmianę kształtu zewnętrznego i pierwotnych wymiarów modułu stanowiącego fragment większej konstrukcji.

Regulacja sztywności w klasycznych systemach tensegrity w wyżej podany sposób wynika z tego, że wszystkie cięgna dowolnej struktury tworzą ciągłą sieć. Zmiana kształtu zewnętrznego i pierwotnych wymiarów modułu tensegrity w wyniku regulacji naprężeń wewnętrznych i w konsekwencji jego sztywności jest bardzo istotną wadą uniemożliwiającą łączenie dowolnej ich ilości w celu uzyskania zaprojektowanej samodzielnie sztywnej struktury cięgnowo-prętowej.

Znany jest z publikacji: Pandia Raj Ramar „Tensegrity Structures with Point Group Symmetry T” z roku 2008, rozkładalny cięgnowo-prętowy moduł konstrukcyjny w postaci przestrzennego układu zawierającego elastyczne cięgna osiowo rozciągane oraz sztywne pręty osiowo ściskane, przy czym elastyczne cięgna i sztywne pręty są połączone swymi końcami w przegubowych węzłach, a moduł stanowi sztywną konstrukcję przestrzenną znaną pod nazwą modułu tensegrity, a ponadto elastyczne cięgna modułu w postaci cięgien biernych o ustalonej długości są położone na krawędziach wielościanu tworząc ciągłą sieć, której węzły, będące wierzchołkami tego wielościanu, stanowią przegubowe węzły modułu w postaci węzłów zewnętrznych, położonych na powierzchni wielościanu.

Powstała możliwość wyeliminowania wskazanej wyżej wady, stanowiącej bardzo istotne ograniczenie szerokiego zastosowania systemów tensegrity w praktyce, mimo wielu wcześniej wymienionych zalet, dzięki opracowaniu nowego modułu tensegrity.

Rozkładalny cięgnowo-prętowy moduł konstrukcyjny w postaci przestrzennego układu zawierającego elastyczne cięgna osiowo rozciągane oraz sztywne pręty osiowo ściskane, przy czym elastyczne cięgna i sztywne pręty są połączone swymi końcami w przegubowych węzłach, a moduł stanowi sztywną konstrukcję przestrzenną znaną pod nazwą modułu tensegrity, a ponadto elastyczne cięgna modułu w postaci cięgien biernych o ustalonej długości są położone na krawędziach wielościanu tworząc ciągłą sieć, której węzły, będące wierzchołkami tego wielościanu, stanowią przegubowe węzły modułu w postaci węzłów zewnętrznych, położonych na powierzchni wielościanu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że we wnętrzu wielościanu jest elastyczne cięgno modułu w postaci cięgna czynnego o regulowanej długości, odizolowanego prętami modułu od sieci cięgien biernych, a każdy z końców cięgna czynnego jest osadzony w osobnym przegubowym węźle w postaci wewnętrznego węzła, połączonego poprzez pręty z węzłami zewnętrznymi.

Rozwiązanie modułu tensegrity zgodnie z wynalazkiem pozwala na wprowadzenie naprężeń wewnętrznych i tym samym regulację jego sztywności poprzez zmianę długości cięgna czynnego, pozostawiając niezmienione wymiary prętów jak również cięgien biernych. W wyniku tego pierwotny kształt modułu tensegrity, jak również jego wymiary pozostają bez zmian. Dzięki stabilności kształtu modułów według wynalazku można wypełnić nimi przestrzeń, łącząc dowolną ich ilość ze sobą. Odpowiadające sobie węzły zewnętrzne i cięgna bierne łączonych modułów są wspólne, a rezultatem połączenia modułów jest samodzielnie sztywna struktura cięgnowo-prętowa. Wielokrotne wznoszenie i składanie konstrukcji o takiej strukturze jest możliwe dzięki zmianie długości cięgien czynnych w niektórych lub wszystkich modułach. W ten sam sposób można regulować sztywność całej struktury modularnej.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w ujęciu schematycznym moduł tensegrity w widoku perspektywicznym, natomiast fig. 2 strukturę liniową otrzymaną przez translację modułu podstawowego w analogicznym widoku jak przedstawiono sam moduł na fig. 1.

Rozkładalny cięgnowo-prętowy moduł konstrukcyjny, według wynalazku w przykładowym wykonaniu, jest w postaci przestrzennego układu zawierającego elastyczne cięgna osiowo rozciągane, takie jak liny, kable, druty lub taśmy oraz sztywne pręty 1 osiowo ściskane, takie jak pręty metalowe, z tworzyw sztucznych lub drewniane, przy czym elastyczne cięgna i sztywne pręty 1 są połączone swymi końcami w przegubowych węzłach zewnętrznych 2. Moduł stanowi sztywną konstrukcję przestrzenną znaną pod nazwą modułu tensegrity.

PL 226 959 B1

Elastyczne cięgna modułu w postaci cięgien biernych 3 o ustalonej długości są położone na krawędziach wielościanu tworząc ciągłą sieć, a węzły sieciowe, będące wierzchołkami tego wielościanu, stanowią przegubowe węzły modułu w postaci węzłów zewnętrznych 2, położonych na powierzchni wielościanu. We wnętrzu wielościanu są położone dwa węzły przegubowe w postaci wewnętrznych węzłów 4 i 5 oraz elastyczne cięgno modułu w postaci cięgna czynnego 6 o regulowanej długości. Cięgno czynne 6 jest odizolowane prętami 1 modułu od sieci cięgien biernych 3. Ponadto każdy z końców cięgna czynnego 3 jest osadzony w przegubowym osobnym pierwszym albo drugim wewnętrznym węźle 4 albo 5, które są połączone poprzez pręty 1 z węzłami zewnętrznymi 2 modułu.

Moduł przedstawiony w przykładowym wykonaniu na fig. 1 posiada sześć sztywnych prętów 1, których końce osadzone w węzłach zewnętrznych 2, usytuowanych na zewnętrznym obrysie modułu w kształcie wielościanu, w tym przypadku pryzmy trójkątnej lub leżącego prostopadłościanu o podstawach trójkątnych. Obrys ten stanowi dziewięć cięgien biernych 3 tworzących ciągłą zamkniętą sieć. Dwa wewnętrzne węzły 4 i 5 łączące końce wymienionych prętów 1, położone w wewnętrznej przestrzeni wielościanu modułu, są sprzężone poprzez cięgno czynne 6 z elementem wykonawczym 7 regulującym jego długość, przy czym pierwszy wewnętrzny węzeł 4 jest połączony poprzez dwa pręty 1 z dwoma węzłami zewnętrznymi 2 leżącymi na osobnych podstawach prostopadłościanu, zaś drugi wewnętrzny węzeł 5 jest połączony poprzez cztery pręty 1 z pozostałymi czterema węzłami zewnętrznymi 2. W celu zwiększenia sztywności modułu dokonuje się skrócenia wymienionego cięgna czynnego 6, co powoduje wprowadzenie naprężeń rozciągających w cięgnach biernych 3 i ściskających w prętach 1. Sztywność modułu jest tym większa, im wyższa jest wartość wprowadzonych naprężeń wewnętrznych, co można w bardzo prosty sposób regulować elementem wykonawczym 7, którym może być śruba rzymska. W wyniku opisanej regulacji kształt obrysu zewnętrznego modułu, jak również jego wymiary gabarytowe nie ulegają zmianie. Pozwala to, jak już wcześniej wspomniano, tworzyć dowolne przestrzenne systemy tensegrity z możliwością regulacji ich sztywności w dowolnych fragmentach, w których są usytuowane przedmiotowe moduły.

Taką konstrukcję przestrzenną złożoną z modułów przedstawionych na fig. 1 pokazano na fig. 2. Konstrukcja ta składa się z kolejno ze sobą połączonych pierwszego, drugiego, trzeciego i czwartego modułu 8, 9, 10 i 11. Elementy wymienionych modułów 8, 9, 10 i 11 usytuowane na ich styku są wspólne dla dwóch sąsiednich modułów 8, 9, 10 i 11, a każdy z nich posiada cięgno czynne 6 z regulacyjnym elementem wykonawczym 7, dzięki czemu istnieje możliwość niezależnej regulacji sztywności, powstałego systemu tensegrity w dowolnej jego strefie. Możliwość takiej regulacji, poza innymi walorami, nabiera szczególnego znaczenia w trakcie wznoszenia całej konstrukcji systemu tensegrity nie wymagającego łączenia jej elementów na placu budowy, a ograniczającego się tylko do jej rozłożenia. Umożliwia to nawet całkowite złożenie poszczególnych modułów jak również całego systemu na czas transportu lub magazynowania, co jest też bardzo ważne z punktu widzenia kosztów tych operacji. Jak z tego wynika istnieje możliwość przetransportowania niekiedy wielkowymiarowych konstrukcji przestrzennych w miejsce posadowienia przy zastosowaniu normalnych środków transportu, po typowych drogach publicznych, bez konieczności objazdu wiaduktów o ograniczonych skrajniach.

Claims (1)

1. Rozkładalny cięgnowo-prętowy moduł konstrukcyjny w postaci przestrzennego układu zawierającego elastyczne cięgna osiowo rozciągane oraz sztywne pręty osiowo ściskane, przy czym elastyczne cięgna i sztywne pręty są połączone swymi końcami w przegubowych węzłach, a moduł stanowi sztywną konstrukcję przestrzenną znaną pod nazwą modułu tensegrity, a ponadto elastyczne cięgna modułu w postaci cięgien biernych o ustalonej długości są położone na krawędziach wielościanu tworząc ciągłą sieć, której węzły, będące wierzchołkami tego wielościanu, stanowią przegubowe węzły modułu w postaci węzłów zewnętrznych, położonych na powierzchni wielościanu, znamienny tym, że we wnętrzu wielościanu jest elastyczne cięgno modułu w postaci cięgna czynnego (6) o regulowanej długości, odizolowanego prętami (1) modułu od sieci cięgien biernych (3), a każdy z końców cięgna czynnego (6) jest osadzony w osobnym przegubowym węźle w postaci wewnętrznego węzła (4, 5), połączonego poprzez pręty (1) z węzłami zewnętrznymi (2).