SK500812018A3 - Adaptívna tensegrity doska s akčnými prvkami vytvorená z modulov v tvare zrezaného ihlana - Google Patents

Abstract

Adaptívna tensegrity doska s akčnými prvkami je vytvorená 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 (6) sústavy. Súčasťou lanových prvkov (3), (4) a (5) 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, subtílnymvzhľadom 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 staveb nom inžinierstve samostatný konštrukčný princíp, založený na synergn medzi nespojitým tlakovým a spojitým ťahovým silovým tokom v prvkoch s priamou pozdĺžnou osou, ktorých vzájomné spojenie je uskutočnené v ich koncovýchuzlochprostredníctvomklbov.

Významnou vlastnosťou tensegrity sústav je ich modularita, teda možnosť vytvárania útvarov väčších rozmerov (dosiek, nosníkov 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 doska skladá, možno opísať rolovaním hornej podstavy zrezaného ihlana okolo vertikálnej osi ležiacej v ťažisku telesa, až kým nenastane samo-rovnovážny stav sústavy. Vtomto 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 voči dolnej podstave o uhol a = 45° (veľkosť uhla p ootočenia 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 začiatočnomsamo-napäťovom 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 dosky, vytvorené z modulov v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou neobsahujú akčné prvky. Nevýhodou takto konštruovanýchtensegrity dosiek 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 aplikácnadaptívnych nosných sústav, ktoré umožnia dosiahnuť trvalú spoľahlivosť, bezpečnosť a funkčnú spôsobilosť počas návrhovej životnostikonštrukcie.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky rieši Adaptívna tensegrity doska s akčnými prvkami vytvorená z modulov v tvare zrezaného ihlana, ktorej podstata spočíva v tom, že všetky jej tlakom namáhané prúty sú vytvorené ako akčné prvky, ktoré sa môžu sťahovať a rozťahovať, a týmprispôsobovať napäťový stav a geometrický tvar sústavy aktuálnym zmenám statických a dynamických účinkov zaťaženia a vplyvov fýzikálnych 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.

Adaptívna tensegrity doska 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 videoextenzometrie), riadiace hardvérové a programové vybavenie na analýzu aktuálneho stavu konštrukcie, posúde2

S K 50081-2018 Α3 nie 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.

Výhodou je, že spojením viacerých adaptívnych tensegrity modulov možno vytvoriť adaptívnu tensegrity dosku, pričom počet a rozmery modulov sa prispôsobia požadovanému rozpätiu, tvaru a účelu nosnej konštrukcie.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je znázornená axonomctrická schéma adaptívneho tensegrity modulu v tvare pravidelného štvorbokého zrezaného ihlana s pootočenou hornou podstavou so štyrmi akčnými prvkami.

Na obr. 2 sú znázornené schémy Adaptívnej tensegrity dosky s akčnými prvkami vytvorenej z modulov v tvare zrezaného ihlana: (a) axonometrická schéma adaptívnej tensegrity dosky s riadiacou elektronikou, počítačovým systémom s monitorovacím, kontrolným, výpočtovým a riadiacim softvérovým vybavením a zariadením na ovládanie pohybov akčných prvkov, (b) bočný pohľad na adaptívnu tensegrity dosku vytvorenú z n adaptívnychtensegrity modulov a (c) pôdorys.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Adaptívna tensegrity doska s akčnými prvkami vytvorená z modulov v tvare zrezaného ihlana, znázornená na obr. 2, je vytvorená 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 ôsmych uzloch 6 sústavy. Všetky prvky sústavy súv miestach uzlov 6 sústavy spojené pomocou kĺbov. Adaptívna tensegrity doska je uložená na zvolenom podpernom systéme 8, pričom počet podperných uzlov 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 a 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 vy miznutí (totálne ochabnutie lanových prvkov sústavy) sa doska 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 Zh (obr. 2b), sa sústava pretvorí a dôjde k prerozdeleniu síl v jej prvkoch. Snímače 7 síl zmerajú aktuálne hodnoty osových síl v lanových konštrukčných prvkoch doskovej sústavy a tieto saprostredníctvomriadiacej 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 na ovládame pohybov akčných prvkov 11), aby sa dosiahlo také prerozdelenie síl v lanových konštmkčných prvkoch pozostávajúcich z lán 3 bočných hrán, lán 4 hornej podstavy a lán 5 dolnej podstavy sústavy,ktoré zaistí splnenie stanovených podmienok spoľahlivosti.

Sústava je kontinuálne monitorovaná 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 Zh 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

S K 50081-2018 Α3 tensegrity systémov v stavebníctve, pri konštrukciách budov, strešných systémov a prístreškov so stredným aveľkým rozpätím, pri ktorých je požadovaná ľahkosť a súčasne aj vysoká spoľahlivosť a bezpečnosť.

Výhodou je, že spojením viacerých adaptívnych tensegrity modulov možno vytvoriť adaptívnu tensegrity dosku, pričom počet a rozmery modulov sa prispôsobia požadovanému rozpätiu, tvaru a účelu nosnej kon5 š trakcie.

Adaptívne tensegrity dosky možno použiť na zastrešenia objektov a priestorov s veľkým rozpätím, akými sú športové haly, spoločenské priestory, výstavné pavilóny a pod., ktorých odolnosť voči statickým a dynamickým účinkom zaťaženia je dôležitá z hľadiska dôsledkov spojených s ich zrútením, teda pri ktoiých možno predpokladať veľmi velké sociálne, ekonomické a environmentálne dôsledky. Preto nároky na spoľahli10 vosť uvedených objektov súvyššieako v iných prípadoch.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Adaptívna tensegrity doska s akčnými prvkami vytvorená z modulov v tvare zrezaného ihlana je tvorená adaptŕvnymi 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), vyznačujúca sa tým, že tlačené prúty sú vytvorené ako akčné prvky (2), ktoré sú sťahovateľné a rozťahovateľné na prispôsobenie napäťového stavu a geometrického tvaru sústavy aktuálnympodmienkamprostredia, 10 pričom súčasťou lanových konštrukčných prvkov a akčných prvkov (2) sú snímače (7) síl na meranie aktuálnych hodnôt osových síl v lanových konštrukčných prvkov, pričom snímače (7) síl sú prepojené s riadiacou elektronikou (9) na zaznamenávanie 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.