Análisis numérico de los efectos del pretesado sobre estructuras textiles laminares tensoestáticas. Evaluación del esfuerzo de pretesado en estructuras textiles laminares tensoestáticas parabólicas, para analizar sus efectos y determinar criterios para su predimensionamiento

Author

Gimferrer Vilaplana, Xavier

Director

Sastre i Sastre, Ramon

Date of defense

2015-07-15

Pages

626 p.



Department/Institute

Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Construccions Arquitectòniques I

Abstract

The main objective of this Thesis is to determinate the behaviour of the prestress effect of a fabric structure. On the understanding that the prestress of a fabric structure is a fundamental part of its stability and mechanical behavior that it must be preserved throughout its useful lifetime, it is necessary to obtain an overall view of its effects. To achieve that, the prestress study is done in its three possible levels of analysis: first, the predimensioning level, second, structural analysis and stress distribution, third, tension verification in pre-existing structures. Specifically in the Thesis is analysed one of the basic typologies of fabric structures, the paraboloid, of which the basic laws of behavior of the tensioning effect can be achieved and extrapolated to other geometries. The analysis is done from the study of computer models which are constructed from a particular basic geometry, upon this geometry are applied specific progressive geometric variations, tensioning and applied load. This succession of models generates a series of results that, connected them with each specific variation which allow to determine the affectation level of contribution of that parameter to the value and distribution of stress tension. To achieve these objectives it is necessary to establish the basic mechanical principles and structural behavior of tensioned fabric structure, as well as to describe the analysis process necessary for the realization of structural analysis. These precepts are exposed in Chapter 1 of the Thesis, establishing the knowledge base that will allow the development and analysis of the calculation models. This chapter also defines and makes a first analysis of the effect produced by different methods of tensioning, demonstrating that to obtain a tensioning distribution as much uniform as possible, it is necessary to carry out the prestress as uniformly as possible and stiffen the edge of the surface. Chapter 2 is divided in two blocks. The first one is where are made and analyzed a serie of conceptual models, starting from the simplest models of isolated bars and increasing its complexity until reaching membrane models, which allow a first approximation to the tensioned structure behavior. In the second block the boundaries of the defining parameters of the models are specified, to proceed with the creation of calculation models using a generation module of fabric parabolic geometries that has been developed for the Wintess program. The results of these models are summarized and classified in the third chapter, analyzing the evolution of the distribution and stress magnitude of tension for each parametric variation, demonstrating that tension distribution is not uniform , and better performance is obtained at higher curvatures. In Chapter Four, the minimum and maximum allowable values of prestress are determined, so it can be established criterions and formulations for prestress depending on the geometry of the paraboloid and external loads. Chapter 5 is dedicated to the evaluation of the tension state in executed structures, analyzing the existing evaluation methods of the stress, determining that depending on the type of tensile structure must be used ones or other methods, the most general methods are based on the relationship between the tension of the element and its fundamental vibration period. Finally, the sixth chapter is dedicated to the exposition of the conclusions achieved from the analysis and it is formulated the possible future research lines that will deepen on the knowledge of the behavior of prestress fabric structures.


El objetivo fundamental de esta Tesis es determinar el comportamiento del efecto del pretesado en una estructura textil laminar tensoestática. Entendiendo que el pretesado de una estructura textil es una parte fundamental de su estabilidad y comportamiento mecánico que se debe mantener durante toda su vida útil, es preciso obtener una visión global de sus efectos. Para obtenerla se realiza el estudio del pretesado en sus tres posibles niveles de análisis: el primero de predimensionado, el segundo de cálculo y distribución de esfuerzos y el tercero de verificación de tesado de estructuras ya realizadas. Concretamente en la Tesis se analiza una de las tipologías básicas de las estructuras textiles superficiales tesadas , el paraboloide, de la cual se extraerán las leyes básicas de comportamiento del efecto del tesado, de tal modo que se puedan extrapolar a otras geometrías. El análisis se realiza a partir del estudio de modelos de cálculo informáticos los cuales se construyen a partir de una geometría básica concreta sobre la cual se aplican progresivas variaciones geométricas, de tesado y de carga aplicada. Esta sucesión de modelos genera unas series de resultados que, relacionándolos con cada variación concreta, permiten determinar el nivel de afectación de ese parámetro al valor y distribución de la tensión de tesado. Para poder alcanzar estos objetivos es preciso establecer primeramente los principios mecánicos básicos y de comportamiento estructural de una estructura textil tensada, así como describir el proceso de cálculo necesario para la realización de los cálculos estructurales. Preceptos que se exponen en el Capítulo 1 de la Tesis, estableciendo la base de conocimiento que permitirá el desarrollo y análisis de los modelos de cálculo posteriores. En este capítulo también se define y realiza un primer análisis del efecto que producen los distintos métodos de introducción del tesado demostrándose que para obtener un tesado lo más homogéneo posible es preciso efectuar el pretesado del modo más uniforme posible y rigidizar el borde de la superficie. El Capítulo 2, se divide en dos bloques. En el primero se realizan y analizan una serie de modelos conceptuales , partiendo de los modelos más simples de barras aisladas e incrementando su complejidad hasta alcanzar los modelos de láminas, que permiten realizar una primera aproximación al comportamiento de una estructura tesada. En el segundo bloque se concretan los límites de los parámetros definitorios de los modelos que se analizaran, para proceder a la creación de los modelos de cálculo mediante un módulo de generación de geometrías parabólicas tesadas que se ha elaborado para el programa Wintess. Los resultados de estos distintos modelos de cálculo se resumen y clasifican en el tercer Capítulo, analizando la evolución de la distribución y magnitud de las tensiones de tesado para cada variación paramétrica, demostrándose que la distribución de tensado no es uniforme, y a mayores curvaturas presentes se obtiene un mejor comportamiento. En el Capítulo cuarto, se determinan los valores máximos y mínimos de pretesado admisibles pudiendo así determinar criterios y formulaciones de pretesado en función de la geometría del paraboloide y las cargas a soportar. El Capítulo 5 se dedica a la evaluación del tesado en estructuras ya ejecutadas, analizando los distintos métodos existentes de evaluación del tesado, determinando que en función del tipo de estructura tensada se deben emplear unos métodos u otros, siendo los más generalistas los basados en la relación existente entre el tesado y su período de vibración fundamental. Finalmente, el Capítulo sexto, se dedica a la exposición de las conclusiones obtenidas del análisis realizado y se formulan las posibles líneas futuras de investigación que permitirán profundizar en el conocimiento del comportamiento del pretesado en estructuras laminares tensoestáticas.

Subjects

620 - Assaig de materials. Materials comercials. Economia de l'energia; 72 - Arquitectura

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