索结构建模的辅助工具

技术文章

RFEM 和 RSTAB 的计算设计范围能够覆盖整个建筑行业大部分的杆件设计和 FEM 设计。 在两种软件中都能找到设计索结构的解决方案。 下面介绍一些建模和设计的辅助工具。

悬链线生成器

绳索的真实初始状态对计算的稳定性有正面影响。 减少“微调”直接到想要的最终状态。 与真实长度有关的、均匀加载的绳索可以使用悬链线生成器。 在菜单“工具”→“生成模型” →“弧…”中打开。

图片 01 - 生成悬链线

除了杆件数量和截面外,还要定义悬链线参数。 高度表示节点到悬链线顶点的距离。 参数”对应于在顶点处的弯曲半径。 因此这里可以生成悬链线的任何部分。

使用RF-IMP/RSIMP 移动节点

绳索的几何形状并不总是与悬链线的形状一样。 这也有特殊情况。 通常情况下,绳索的几何形状与弯矩图相关。 例如,在绳索中间施加一个集中荷载,形状呈三角形。 如果在绳索上施加两个集中荷载,形状呈梯形。

图片 02 - 绳索形状类似弯矩线

在绳索上施加任意荷载,这种情况就比较复杂,在此可以使用附加模块 RF-IMP 或者 RSIMP 计算。 绳索几何形状类似变形被移动。 这样可以相对快速创建一个近似于想要求得的形状的模型。

图片 03 - 预变形通过节点移动

通过长度改变进行微调

目前所示的方法都是定义实际计算的初始状态。 通过作用在绳索上的荷载,绳索会继续变形。 但是通常会指定在荷载作用下的最终状态。

例如必须给在已知预设的荷载作用下设置一个垂度。 现在的困难是必须指定初始形状,也就是施加的荷载必须使绳索变成所需的形状。 如果不使用找形工具,通常只能迭代完成。 一种可能的解决方法是修改初始状态,直至找到所需的垂度。 一种选择是使用上述方法对初始状态重新建模,但是迭代过程非常麻烦。 另一种选择是通过杆件荷载“轴向应变”延长或者缩短绳索。 通过计算延长或者缩短绳索,并与其它荷载作用叠加。 如果没有到达所需状态,则可以通过进一步改变“轴向应变”快速执行进一步的计算步骤。 如果达到所需的垂度,索的初始长度(“重心和信息”功能)和长度改变量相加。 总和就是未加载时的绳索长度。

这里提一下 COM 接口。 这里允许自定义优化例程,例如:在 Excel 中,与 RFEM 或者 RSTAB 连接。

RF-FORMFINDUNG

RFEM 以及附加模块 RF-FORMFINDING 能够在已加载的情况下自动找形。 这里只需要输入杆件、荷载以及需要求得的参数。

图片 04 - 找形的索参数

不需要详细定义初始形状和杆件划分。 计算之后,模块显示找到的绳索形状,力以及加载和未加载时的绳索长度。

对比

下面对各个情况进行比较。 在定义的荷载作用下,支座距离 20 米,垂度为 100 cm。 这里要比较:使用模块 RF-IMP 对预变形结构(结构 1)手动选项进行计算的解决方案和使用模块 RF-FORMFINDUNG (结构 2)进行计算的解决方案。

结构 1: 绳索已经预变形 40 cm。 现在还要继续变形 60 cm。 计算得出的结果是 6.1 cm。 因此必须延长绳索。 相应的纵向应变必须反复确定,得出的结果为 10.2 cm,且均匀分布在所有索杆上。

图片 05 - 结构 1:结果

由此产生的未加载绳索长度是索杆长度与绳索延长的总和: (20,02 + 0,102) m = 20,122 m

结构 2: 在找形的背景下计算结构 2,得出未加载绳索长 20.12 m,在给定的荷载作用下垂度为 100 cm。 该结果与手动选项得出的值相同。 这里明显不费力,因为初始形状仅被定义为直杆,并且省略了整个迭代过程。

图片 06 - 结构 2:结果

小结

对于索结构的设计计算,在 RFEM 和 RSTAB 中有不同的途径和方法来解决。 那么就要对项目过程估计其相应的工作量。 设计更加复杂的索结构,其子结构的刚度或者绳索之间的相互作用都会被考虑,那么工作相对快速就不经济了。 在这种情况下 RFEM 以及附加模块 RF-FORMFINDUNG 面向客户提供了使用友好和功能强大的解决方案。

关键词

索 索结构 找形 imp 悬链线

参考

[1]   Stranghöner, N.; Saxe, K.; Uhlemann, J.: Essener Membranbau Symposium 2016. Herzogenrath: Shaker, 2016

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