SK288881B6 - Adaptívny tensegrity nosník s akčnými prvkami vytvorený z modulov v tvare zrezaného ihlana - Google Patents

Abstract

Adaptívny tensegrity nosník s akčnými prvkami vytvorený z modulov v tvare zrezaného ihlana je vytvorený vzájomným spojením požadovaného počtu predpätých adaptívnych tensegrity modulov (1) v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana. Adaptívne tensegrity moduly pozostávajú zo štyroch tlačených prútov, vytvorených ako akčné prvky (2). Tieto sú v priestore vzájomne prepojené pomocou dvanástich lán v ôsmich kĺbových uzloch sústavy (6). Súčasťou lanových prvkov sú snímače (7) síl. Každý prvok sústavy je permanentne monitorovaný prostredníctvom snímačov (7) síl a riadiacej elektroniky (9), ktoré zaznamenávajú aktuálne hodnoty statických a dynamických veličín v reálnom čase. Tieto sa vyhodnotia prostredníctvom počítačového systému (10). V prípade, že sily v lanách a prútoch stúpnu nad alebo klesnú pod požadovanú úroveň zadefinovaných kritérií spoľahlivosti, riadiaci softvér počítačového systému (10) stanoví príslušné veľkosti a smery pohybov akčných prvkov (2), aby sa dosiahlo také prerozdelenie síl v sústave, ktoré zaistí splnenie stanovených podmienok spoľahlivosti.

Description

Oblasť techniky

Vynález možno zaradiť do oblasti nosných konštrukcií inžinierskeho staviteľstva.

Doterajší stav techniky

Tensegrity sústavy predstavujú moderné progresívne nosné systémy umožňujúce tvorbu atraktívnych architektonických tvarov s nízkou hmotnosťou, subtílnym vzhľadom a vysokou efektívnosťou.

Pozostávajú z tlačených prvkov umiestnených vnútri ťahaného celku. Tlačené prúty (vzpery) sú nespojité a medzi nimi zvyčajne nenastáva kontakt. Ťahané prvky (lanové konštrukčné prvky) sú spojité a formujú obvodovú sieť systému.

Tensegrity vytvára v architektúre a stavebnom inžinierstve samostatný konštrukčný princíp, založený na synergii medzi nespojitým tlakovým a spojitým ťahovým silovým tokom v prvkoch s priamou pozdĺžnou osou, ktorých vzájomné spojenie je uskutočnené v ich koncových uzloch prostredníctvom kĺbov.

Významnou vlastnosťou tensegrity sústav je ich modularita, teda možnosť vytvárania útvarov väčších rozmerov (nosníkov, dosiek a pod.) pomocou spájania základných modulov. Vznik začiatočnej rovnovážnej konfigurácie tensegrity modulov v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou, z ktorých sa tensegrity nosník skladá, možno opísať rolovaním hornej podstavy zrezaného ihlana okolo vertikálnej osi ležiacej v ťažisku telesa, až kým nenastane samorovnovážny stav sústavy. V tomto prípade tensegrity modul predstavuje fiktívny pravidelný štvorboký zrezaný ihlan s pootočenou hornou podstavou, ktorý pozostáva z lanových konštrukčných prvkov vytvárajúcich jeho bočné hrany a vzpier umiestnených diagonálne v bočných stenách zrezaného ihlana tak, že každá vzpera spája vrchol hornej podstavy s vrcholom spodnej podstavy v rovine príslušnej bočnej steny a každej bočnej stene zrezaného ihlana prislúcha práve jedna vzpera. Horná podstava sa pootočí proti dolnej podstave o uhol a = 45° (veľkosť uhla pootočenia a je špecifická pre každú fundamentálnu tensegrity sústavu) a má také rozmery, že sa po pootočení vpíše do štvorca dolnej podstavy. Tensegrity modul sa po pootočení o uvedený uhol nachádza v začiatočnom samonapäťovom stave. Horná podstava počas rotačného pohybu nemení svoje rozmery ani polohu a zostáva rovnobežná s rovinou spodnej podstavy. Spodná podstava je počas pohybu hornej podstavy fixovaná.

V súčasnosti používané tensegrity nosníky, vytvorené z modulov v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou, neobsahujú akčné prvky. Nevýhodou takto konštruovaných tensegrity nosníkov je, že nedokážu v reálnom čase prispôsobovať svoju napätosť a geometriu meniacim sa aktuálnym mimoriadnym zaťažovacím účinkom a vplyvom prostredia (účinky mimoriadneho zaťaženia, akými sú sneh, vietor, zemetrasenie, výbuch, oheň (teplota), náraz vozidla a pod.) ani eliminovať straty predpätia vyvolané relaxáciou a dotvarovaním lanových konštrukčných prvkov. Tieto faktory môžu spôsobiť prekročenie limitných kritérií medzných stavov únosnosti a používateľnosti, a tým zapríčiniť poruchu, resp. stratu spoľahlivosti sústavy. Tieto konštrukcie nie sú vybavené akčnými prvkami a takými monitorovacími, kontrolnými a riadiacimi zariadeniami, ktoré dokážu reagovať na mimoriadne účinky zaťaženia a na pokles tuhosti, a tým zaistiť požadovanú mieru spoľahlivosti sústavy.

Súčasné trendy v navrhovaní nosných systémov v stavebníctve smerujú k aplikácii adaptívnych nosných sústav, ktoré umožnia dosiahnuť trvalú spoľahlivosť, bezpečnosť a funkčnú spôsobilosť počas návrhovej životnosti konštrukcie.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky rieši adaptívny tensegrity nosník s akčnými prvkami vytvorený z modulov v tvare zrezaného ihlana, ktorého podstata spočíva v tom, že všetky jeho tlakom namáhané prúty sú vytvorené ako akčné prvky, ktoré sa môžu sťahovať a rozťahovať, a tým prispôsobovať napäťový stav a geometrický tvar sústavy aktuálnym zmenám statických a dynamických účinkov zaťaženia a vplyvov íýzikálnych polí prostredia.

Opísaný adaptívny nosný systém aktívne monitoruje veľkosti vnútorných síl a deformácií, vyhodnocuje ich a prostredníctvom riadiacich príkazov v tvare zodpovedajúcich pohybov jednotlivých akčných prvkov udržiava požadovanú mieru spoľahlivosti sústavy s priamou väzbou na kritérium zodpovedajúceho medzného stavu.

Adaptívny tensegrity nosník takto dosiahne zmenou svojich vlastností splnenie podmienok spoľahlivosti, to znamená, že nedôjde k prekročeniu stanovených kritérií medzných stavov únosnosti a používateľnosti. Tento nosný systém obsahuje akčné prvky, snímače (na snímanie sily, deformácie, polohy, rýchlosti, zrýchlenia, kmitavého pohybu a podobne, a to prostredníctvom silomerov, tenzometrov, magnetických mikrodrôtov, priehybomerov, rýchlomerov, akcelerometrov a ďalších meracích prístrojov napríklad na báze videoex tenzometrie), riadiace hardvérové a programové vybavenie na analýzu aktuálneho stavu konštrukcie, posúdenie jej spoľahlivosti a riadenie pohybov. Snímače zaznamenávajú sily v lanových a prútových prvkoch, ktoré sú kontinuálne monitorované a vyhodnocované pri každej zmene vonkajšieho zaťaženia, resp. podmienok prostredia. V prípade prekročenia stanovených kritérií sa uskutočnia definované posuny akčných prvkov, skrátenie alebo predĺženie, čím sa konštrukcia stáva poddajnejšou alebo tuhšou v závislosti od požadovaných vlastností.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je znázornená axonometrická schéma adaptívneho tensegrity modulu v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou so štyrmi akčnými prvkami. Na obr. 2 sú znázornené schémy adaptívneho tensegrity nosníka s akčnými prvkami vytvoreného z adaptívnych tensegrity modulov v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou so štyrmi akčnými prvkami: (a) axonometrická schéma adaptívneho tensegrity nosníka s riadiacou elektronikou, počítačovým systémom s monitorovacím, kontrolným, výpočtovým a riadiacim softvérovým vybavením a zariadením na ovládame pohybov akčných prvkov, (b) bočný pohľad na adaptívny tensegrity nosník vytvorený z n adaptívnych tensegrity modulov a (c) pôdorys.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Adaptívny tensegrity nosník s akčnými prvkami vytvorený z modulov v tvare zrezaného ihlana, znázornený na obr. 2, je vytvorený vzájomným spojením požadovaného počtu adaptívnych tensegrity modulov 1 v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou, zobrazeného na obr. 1. Adaptívne tensegrity moduly 1 pozostávajú zo štyroch tlačených prútov, vytvorených ako akčné prvky 2. Tieto sú v priestore vzájomne prepojené pomocou dvanástich ťahom namáhaných lanových konštrukčných prvkov pozostávajúcich z lán 3 bočných hrán, lán 4 hornej podstavy a lán 5 dolnej podstavy v ôsmich uzloch 6 sústavy. Všetky prvky sústavy sú v miestach uzlov 6 spojené pomocou kĺbov. Adaptívny tensegrity nosník je uložený na zvolenom podpernom systéme 8, pričom počet podperných uzlov 6 možno stanoviť podľa potreby, v závislosti od architektonických, zaťažovacích alebo konštrukčných požiadaviek. Súčasťou ťahom namáhaných lanových konštrukčných prvkov pozostávajúcich z lán 3 bočných hrán, lán 4 hornej podstavy, lán 5 dolnej podstavy a tlakom namáhaných akčných prvkov 2 sú snímače 7 síl (silomery), ktoré snímajú aktuálne hodnoty veľkosti osových síl. Vnesením začiatočných predpínacích síl do lanových konštrukčných prvkov pozostávajúcich z lán 3 bočných hrán, lán 4 hornej podstavy a lán 5 dolnej podstavy sa dosiahne požadovaný geometrický tvar konštrukcie, jej napätosť, tuhosť a stabilita. Základnou podmienkou spoľahlivosti systému je existencia ťahových síl v lanových prvkoch, teda požadovaná úroveň jeho predpätia. Pri výraznom poklese ťahových síl alebo pri úplnom vymiznutí (totálne ochabnutie lanových prvkov sústavy) sa nosník mení na tvarovo nestabilný kinematický mechanizmus, ktorý nie je schopný prenášať zaťaženie a plniť požadovanú funkciu.

Pri pôsobení vonkajšieho zaťaženia vo vertikálnom Z_v a horizontálnom smere Z_h (obr. 2b) sa nosník pretvorí a dôjde k prerozdeleniu síl v jeho prvkoch. Snímače 7 síl zmerajú aktuálne hodnoty osových síl v lanových konštrukčných prvkoch nosníka, a tieto sa prostredníctvom riadiacej elektroniky 9 zaznamenajú a vyhodnotia pomocou počítačového systému 10 s monitorovacím, kontrolným, výpočtovým a riadiacim softvérovým vybavením. V prípade, že sily v lanách stúpnu nad alebo klesnú pod požadovanú úroveň zadefinovaných kritérií spoľahlivosti, vyplývajúcich z podmienok medzných stavov únosnosti a používateľnosti, riadiaci softvér stanoví také veľkosti a smery pohybov akčných prvkov 2 (skrátenie alebo predĺženie, prostredníctvom zariadenia 11 na ovládame pohybov akčných prvkov), aby sa dosiahlo také prerozdelenie síl v lanových konštrukčných prvkoch pozostávajúcich z lán 3 bočných hrán, lán 4 hornej podstavy, lán 5 dolnej podstavy nosníka, ktoré zaistí splnenie stanovených podmienok spoľahlivosti.

Tensegrity nosník je kontinuálne monitorovaný a akékoľvek zmeny síl v konštrukčných prvkoch sú ihneď zaznamenávané a v reálnom čase vyhodnocované. Pri každej zmene veľkosti a smeru pôsobiaceho zaťaženia Z_v a Z_h sa celý proces opakuje.

Priemyselná využiteľnosť

Vynález je možné využiť v prípadoch, kedy je potrebné aplikovať adaptívny nosný systém s vysokou mierou spoľahlivosti a bezpečnosti. Svoje uplatnenie môže nájsť pri tvorbe rôznych adaptívnych nosných tensegrity systémov v stavebníctve, pri konštrukciách budov, strešných systémov a prístreškov so stredným a veľkým rozpätím, pri ktoiých je požadovaná ľahkosť a súčasne aj vysoká spoľahlivosť a bezpečnosť. Spojením viaeeiých adaptívnych tensegrity modulov možno vytvoriť adaptívny tensegrity nosník, pričom počet a rozmery modulov sa prispôsobia požadovanému rozpätiu, tvaru a účelu nosnej konštrukcie.

Adaptívne tensegrity nosníky možno použiť na zastrešenia objektov a priestorov so stredným a veľkým 5 rozpätím, akými sú športové haly, spoločenské priestory, výstavné pavilóny a pod., ktoiých odolnosť proti statickým a dynamický m účinkom zaťaženia je dôležitá z hľadiska dôsledkov spojených s ich zrútením, teda pri ktoiých možno predpokladať veľmi veľké sociálne, ekonomické a environmentálne dôsledky. Preto nároky na spoľahlivosť uvedených objektov sú vyššie ako v iných prípadoch.

Claims (1)

1. Adaptívny tensegrity nosník s akčnými prvkami vytvorený z modulov v tvare zrezaného ihlana tvorený adaptívnymi tensegrity modulmi (1) v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou 5 podstavou pozostávajúcimi z tlačených prútov, ktoré sú vzájomne prepojené v uzloch (6) sústavy pomocou lanových konštrukčných prvkov pozostávajúcich z lán (3) bočných hrán, lán (4) hornej podstavy a lán (5) dolnej podstavy, kde adaptívne tensegrity moduly (1) sú uložené na podpernom systéme (8), vyznačujúci sa tým, že tlačené prúty sú vytvorené ako akčné prvky (2), ktoré sú sťahovateľné a rozťahovateľné na prispôsobenie napäťového stavu a geometrického tvaru sústavy aktuálnym podmienkam prostredia, 10 pričom súčasťou lanových konštrukčných prvkov a akčných prvkov (2) sú snímače (7) síl na meranie aktuálnych hodnôt osových síl, ktoré sú prepojené s riadiacou elektronikou (9) na zaznamenávame hodnôt osových síl, ktorá je prepojená s počítačovým systémom (10) s monitorovacím, kontrolným, výpočtovým a riadiacim softvérovým vybavením, a ten je prepojený so zariadením (11) na ovládanie pohybov akčných prvkov.