Struttura a Guscio

Nella meccanica tecnica, un guscio è una struttura piatta che è curva e può assorbire carichi sia verticalmente (come un piatto ) che nel suo piano (come un disco ).

Le conchiglie devono la loro capacità di carico alla loro curvatura e torsione. Possono essere semplicemente curvi, ad es. cilindrico, o doppia curvatura, ad es. sferico .

I gusci fanno un uso ottimale della capacità portante del loro materiale trasferendo i carichi utilizzando forze della membrana che sono costanti attraverso lo spessore del guscio. Ciò si traduce in un’elevata rigidità con un peso ridotto e un uso di materiale ridotto, il che rende le ciotole importanti per natura e tecnologia.

In natura, i gusci si trovano in:

• Gambi di erba dolce
• Esoscheletro di artropodi (insetti, ragni, granchi) o guscio molluschi (cozze)
• Gusci d’uovo di uccelli
• Ossa ( cranio , scapola )
• carapace ( tartarughe ).

Nella tecnologia, le ciotole possono essere trovate

• Silos
• Edifici a cupola
• Scocca
• Profilo in acciaio

Definizione 

“ Nella Resistenza meccanica, un guscio è inteso come un corpo formato dopo una superficie curva, il cui spessore è estremamente ridotto rispetto alle altre sue dimensioni. Il termine “guscio” indica anche che si tratta di un corpo il cui spessore è relativamente piccolo come quello del guscio d’uovo. ”

La costruzione a guscio è una forma di moderne strutture piatte. A causa del piccolo spessore della sua curvatura, combina il vantaggio di una membrana autoportante con grandi luci . Contrariamente alla costruzione convenzionale, i carichi di tali strutture planari vengono assorbiti dalle forze longitudinali e dalla flessione. Nel caso di gusci sottili, il cui spessore è piccolo rispetto alla campata,

Le forze di  flessione possono essere trascurate; in questo caso i carichi vengono trasferiti principalmente ai supporti mediante forze longitudinali. 

Questo stato è chiamato stato di tensione della membrana.

Gli archi a cupola creano più spazio utilizzabile rispetto alle curvature concave e ad arco verso l’interno delle strutture di membrane e reti di cavi .

La stanza a volta ha un effetto protettivo. Le strutture di supporto primarie, come i piloni delle strutture a membrana, non sono necessarie per le strutture a guscio, in modo che possa essere creato un continuum spaziale indisturbato.

Poiché i gusci reticolari curvi possono essere prodotti con quasi tutte le superfici di proiezione, le transizioni e le connessioni su superfici ortogonali sono raramente un problema. Le cupole possono, ad esempio, avere una pianta circolare e volte a botte essere eretto su una base rettangolare.

Dopo il 1945, le strutture planari acquisirono importanza nel campo delle strutture ingegneristiche e accolsero nuove idee di design in architettura.

Oltre alla loro funzione di involucro edilizio , le strutture a guscio sono utilizzate anche in aree come la costruzione di veicoli e aeromobili (vedi: monoscocca ), la costruzione di interni e la costruzione di mobili . Rappresentano un importante elemento di design nell’arte contemporanea.

I gusci sottili sono potenti, ma anche sensibili. Oltre a particolari proprietà statico-costruttive, possono anche soddisfare particolari esigenze estetiche . A causa dei complicati requisiti per la statica e il materiale, questo tipo di struttura è stata raramente realizzata nei decenni prima della fine del millennio. È stato solo con l’introduzione di nuovi materiali che la costruzione del guscio ha ricevuto nuovi impulsi negli ultimi tempi.

A _STORIA

Dall’analisi di cupole e conchiglie emerge un rapporto di reciprocità tra costruzione e forma: il desiderio di pensiline per stanze larghe e prive di pilastri era un tema diffuso anche nell’antichità , che in quel periodo incontrava grandi difficoltà tecniche fino a ulteriori fasi di sviluppo.

Nell’antichità, prevalevano le cupole a sbalzo come design , in cui i singoli anelli erano posizionati su giunti orizzontali piatti .

I micenei tombe a cupola sono stati costruiti nel tardo età del bronzo . Le pareti erano costituite da monumentali blocchi di pietra .

Un esempio significativo di ciò è il tesoro di Atreo del 1325 a.C. circa. Per chiamare Chr. A quel tempo, questa struttura poteva già raggiungere un diametro di 14,50 metri e un’altezza di 13,20 metri. Rimase il più grande edificio a cupola circolare per 1400 anni fino al Pantheon a Roma .

Il pantheon, costruito nel 118 d.C., consiste nella costruzione della sua cupola di un guscio interno e uno esterno in calcestruzzo colato. Per la prima volta è stata raggiunta una campata di 43,30 metri.

La lunga tradizione delle cupole in mattoni si è conclusa solo con l’introduzione del cemento armato. Le prime piccole cupole in cemento armato sono state realizzate utilizzando il processo Monier .

Le cupole più grandi sono state suddivise matematicamente e strutturalmente in travi e nervature . L’allora più grande costruzione della cupola della Centennial Hall di Wroclaw fu costruita nel 1911-1913 con una campata di 65 metri secondo questo principio .

Il futuro nella costruzione a cupola, tuttavia, apparteneva alle cupole a pareti sottili.

Ne è seguita una transizione verso strutture a guscio sottili e leggere. Il planetario Zeiss a forma di cupola sferica a Jena è stato sicuramente decisivo per questo sviluppo . Lo sviluppo della costruzione in ferro-cemento nei primi anni ’20 ha permesso di creare strutture a guscio molto sottili. Un esempio di ciò è la seconda cupola del planetario di Jena. Con una luce di 25 metri, ha uno spessore del guscio di soli 6 centimetri. Le conchiglie a cupola costruite con questo processo alla fine degli anni ’20 hanno permesso di scavalcare stanze sempre più grandi. 

Ci sono stati grandi progressi nel campo della costruzione di conchiglie e, in particolare, l’uso del guscio come struttura del tetto dopo la seconda guerra mondiale .

Prima della seconda guerra mondiale, erano conosciuti due tipi: i gusci semplicemente curvi, che si traducevano principalmente in gusci cilindrici, e le cupole. Sulla base di questa esperienza e della conoscenza del periodo prebellico, il metodo di costruzione delle conchiglie è stato diffuso e ulteriormente sviluppato a livello internazionale.

La ripresa nel dopoguerra ha mostrato i seguenti risultati in questo settore nella ricerca di nuove forme e sviluppi:

• Sviluppo di superfici doppie curve
• Introduzione di nuove forme
• Una tendenza verso luci maggiori , derivante dal tentativo di coprire grandi aree senza travature
• La prefabbricazione delle ciotole come tendenza verso l’efficienza economica .

B Comportamento strutturale 

La rigidità alla flessione delle strutture a parete sottile o snella è molto inferiore alla loro rigidità alla trazione nella direzione tangenziale. Per utilizzare in modo ottimale il comportamento portante di tali strutture, è importante evitare il più possibile le sollecitazioni di flessione .

Le aste curve possono a forma scelta economica e usura del cuscinetto che piega carichi liberi:

• Ad esempio, sotto un carico di linea costante , la linea curva deve essere una parabola in modo che possa verificarsi uno stato senza piegatura.
• Sotto il suo stesso peso , la linea della catena è una forma senza pieghe.

Nel caso delle ciotole, le condizioni sono molto più favorevoli per effetto della superficie. A differenza di un arco, un guscio può essere una superficie di supporto per più di un carico superficiale. Al contrario, un dato carico può essere trasportato attraverso la membrana utilizzando diverse forme di guscio. Non esiste quindi una forma di conchiglia ottimale.

B1 Stato di stress della membrana 

In determinate condizioni, i carichi su un guscio vengono principalmente deviati ai supporti attraverso sollecitazioni che sono costantemente distribuite sullo spessore della parete e parallele alla superficie centrale . In questi casi, si parla di uno stato di tensione di trazione o sollecitazione della membrana . È presente anche nello stato di tensione del disco di strutture a superficie piana (dischi). Quando la membrana è in tensione, il comportamento portante del materiale viene utilizzato in modo ottimale.

I prerequisiti per lo stato di tensione della membrana sono:

1. La superficie centrale è continuamente curva e non presenta sbalzi di curvatura.
2. Lo spessore del guscio non cambia a passi da gigante.
3. I carichi perpendicolari alla superficie centrale del guscio vengono applicati in modo distribuito .
4. I carichi non cambiano a passi da gigante.
5. Nessuna forza o momento laterale viene introdotto dall’immagazzinamento , i. H. lo stoccaggio avviene nella direzione tangenziale del guscio.
6. La deformazione trasversale e la torsione del guscio non è ostacolata dai cuscinetti.
7. La distribuzione della temperatura sullo spessore del guscio è costante.

Se una di queste condizioni viene violata, il risultato è una condizione di sollecitazione di flessione meno favorevole.

L’immagine a destra mostra una cupola, che è caricata con una sola forza al centro. Nell’area in cui viene introdotta la forza, che viola la terza condizione per lo stato di sollecitazione della membrana, è presente uno stato di sollecitazione a flessione (verde). Lontano dall’introduzione della forza, invece, c’è uno stato di tensione della membrana (blu), perché la cupola è continuamente curva e il cuscinetto è tangenziale senza impedire la rotazione del guscio.

B2 Stato di sollecitazione flessionale 

In conseguenza del disturbo dello stato di sollecitazione della membrana, in prossimità del punto di disturbo perpendicolare alla superficie centrale si sviluppano sollecitazioni di flessione e sollecitazioni di taglio che variano nello spessore. Tale stato del guscio è noto come stato di sollecitazione di flessione. Secondo il principio di St. Venant, i disturbi diminuiscono rapidamente all’aumentare della distanza dal punto di disturbo.

Lo stato di sollecitazione di flessione può essere confrontato con lo stato di sollecitazione della piastra delle strutture superficiali planari. Contrariamente a questi, tuttavia, a causa della curvatura, gli stati di sollecitazione della membrana e di flessione non si disaccoppiano con il problema del guscio .

Proprietà generali 

Sensibilità alle imperfezioni 

Poiché le sollecitazioni di flessione possono diventare molto grandi rispetto alle sollecitazioni della membrana, il comportamento portante di un guscio è sensibile alle irregolarità nella forma o nel carico. Una considerazione insufficiente o violazioni dei prerequisiti per lo stato di tensione della membrana a causa di imperfezioni possono avere effetti gravi. Per questo motivo è importante mappare tutte le proprietà di una shell il più precisamente possibile nel processo di calcolo.

Forme di conchiglie 

Oltre alle lamiere in gran parte casuali e di forma irregolare nella costruzione di veicoli , spesso si verificano semplici forme di guscio , in particolare nella tecnologia di costruzione .

Questi sorgono

• spostando una curva piatta lungo un’altra curva ( volta , tetto a botte , tubo)
• ruotando una curva piana, la curva meridiana , attorno a un asse di rotazione che giace nel suo piano .

Queste ciotole rotanti includono (vedi anche le immagini sotto):

• il guscio cilindrico (la curva meridiana è parallela all’asse di rotazione)
• il guscio sferico (la curva meridiana è un semicerchio con il centro sull’asse di rotazione)
• il cono (la curva meridiana è una linea retta che interseca l’asse di rotazione).

Spesso diversi gusci rotanti sono combinati tra loro, ad es. B. un guscio cilindrico (finitamente lungo) con gusci emisferici alle estremità. I gusci di rotazione possono in molti casi essere calcolati con la teoria della membrana (vedi sotto).

Per quanto riguarda la curvatura principale  k, si distingue:

• gusci positivamente curvi: k> 0
• gusci sviluppabili : k = 0
• gusci curvi negativamente: k <0.

• 

  Superficie della gobba con k> 0

• 

  Area sviluppabile con k = 0

• 

  Superficie della sella con k <0

Calcolo 

Presupposti 

Quando si calcolano i gusci, si può spesso presumere quanto segue:

• Lo spessore del guscio è ridotto rispetto alle altre dimensioni.
• Le deformazioni sono piccole rispetto allo spessore del guscio.
• I punti che giacciono su una normale al piano mediano sono di nuovo su una tale linea retta dopo una deformazione, simile alle ipotesi di Bernoulli della teoria del raggio .
• Le sollecitazioni normali e di taglio che agiscono perpendicolarmente al piano centrale sono trascurabilmente piccole.
• Il materiale è omogeneo e isotropo e segue la legge di Hooke .

Le deviazioni da questi prerequisiti richiedono solitamente uno sforzo di calcolo molto più elevato.

Problemi speciali, specialmente in connessione con la ricerca sui materiali moderni ( materiali compositi, ecc.) Rendono necessario derivare teorie sulle coperture superiori, ad es. B. di teorie multidirettore e multistrato, in cui per lo più tutti o. G. ipotesi semplificative non possono essere applicate.

Teoria delle membrane 

La teoria della membrana si basa su ulteriori semplificazioni. Non fornisce soluzioni esatte, ma è sufficiente per molti casi d’uso.

• A causa del piccolo spessore della parete, la rigidità alla flessione e i momenti flettenti interni sono piccoli. Le deviazioni sono quindi trascurate. I momenti flettenti massimi si verificano nelle aree dei bordi.
• Si verificano solo sollecitazioni normali e di taglio che giacciono all’interno del piano e sono costanti sullo spessore della parete (spessore della membrana).
• L’influenza del cambiamento di forma sulla distribuzione della forza viene trascurata. La struttura viene esaminata praticamente allo stato indeformato (teoria del primo ordine).
• Il bordo di un guscio di membrana è supportato liberamente o tangenzialmente.
• Le forze ai bordi del guscio sono dirette tangenzialmente al piano centrale.

Uno stato di stress nei gusci che corrisponde alle condizioni della teoria della membrana è chiamato stato di stress della membrana . È la base della formula della caldaia .

Teoria della flessione 

Se i prerequisiti della teoria della membrana non sono o non sono quasi forniti, deve essere applicata la teoria della flessione, i. H. si deve tener conto della rigidità alla flessione del guscio. U. anche la rigidità al taglio finita .

A volte è sufficiente tener conto degli effetti della teoria della flessione localmente dopo l’applicazione della teoria della membrana. Ciò è particolarmente vero se il bordo del guscio è supportato in modo articolato o bloccato e quindi le condizioni della teoria della membrana non sono soddisfatte. Altri esempi sono le transizioni tra diversi gusci rotanti.

C MATERIALI

I gusci sono spesso più complicati da progettare e produrre rispetto ad altre strutture di supporto, ma generalmente richiedono meno materiale.

I gusci possono essere prodotti in modo monolitico , utilizzando di norma il cemento armato . In alternativa, sono assemblati da singole parti prefabbricate , ad esempio da lamiere d’acciaio curve, o come una struttura reticolare.

Lo scheletro delle strutture reticolari è spesso realizzato in acciaio, legno (vedi metodo di costruzione Zollinger , o nervata ) o materiali compositi e può essere riempito o rivestito con materiali da costruzione tessili , vetro o altri materiali.

I tamponamenti possono assumere funzioni statiche o fungere semplicemente da elemento di rivestimento o chiusura di locali.

Da Frei Otto sono note strutture superficiali leggere e di ampia portata. I gruppi di ricerca si sono occupati non solo dell’ulteriore sviluppo dei tipi di costruzione, ma anche della combinazione di diversi materiali da costruzione. Nella ” costruzione composita membrana-calcestruzzo “, le proprietà speciali del materiale del calcestruzzo e della membrana vengono combinate.

In passato, le volte erano realizzate con materiali come pietra , argilla e muratura .

C1 Calcestruzzo 

Il calcestruzzo è particolarmente ideale per forme libere e non geometriche. È facile da lavorare e consente la migliore implementazione possibile del progetto. Il calcestruzzo è economico e può essere utilizzato in qualsiasi clima. Ma ha anche degli svantaggi: soprattutto con la costruzione del guscio , possono sorgere problemi se si asciugano troppo rapidamente . Con una copertura in polistirolo o altri accorgimenti, l’ evaporazione dell’acqua può essere ritardata, in modo che il calcestruzzo si indurisca più lentamente e si ottenga una maggiore resistenza.

C2 Cemento armato 

Nei casi in cui si verificano sollecitazioni di flessione e trazione nelle parti in calcestruzzo, acciaio e calcestruzzo lavorano insieme come materiale da costruzione composito, cemento armato. Poiché entrambi i materiali da costruzione hanno quasi la stessa espansione termica , questo effetto composito viene mantenuto anche con le fluttuazioni di temperatura.

Fino ad un certo limite il comportamento portante dei componenti in cemento armato corrisponde a quello dell’acciaio o del calcestruzzo non armato.

Il legame tra acciaio e calcestruzzo garantisce che la formazione di fessure necessaria sia limitata a un livello innocuo.

Il cemento armato è particolarmente indicato per la realizzazione di strutture planari monolitiche, caratterizzate da elevata rigidità e basse deformazioni.

C3 Vetro 

Poiché il vetro come materiale da costruzione ha un comportamento del materiale molto fragile , richiede la riduzione delle sollecitazioni di flessione e trazione, soprattutto per i vetri strutturali .

Il vetro è utilizzato principalmente nelle strutture a guscio a traliccio come copertura per grandi strutture di tetti curvi.

C4 Plastica 

Nel settore delle costruzioni, le materie plastiche saranno sicuramente utilizzate sempre di più per realizzare componenti portanti in futuro. I materiali termoplastici (acrilati) e termoindurenti in particolare hanno acquisito una grande importanza. Queste plastiche hanno una serie di proprietà vantaggiose: resistente alle intemperie, generalmente molto resistente agli agenti chimici, ad alta resistenza, peso ridotto e parzialmente traslucido.

5 Legno 

In futuro , con materiali a base di legno potranno essere realizzati grandi barili, cupole e altre forme di guscio libero con una larghezza di circa 20 metri e una lunghezza di circa 50 metri . Questo aspetto significa che nell’architettura contemporanea le strutture a superficie libera possono essere realizzate utilizzando sistemi semplici. Il composito a base di legno è il più adatto per questo progetto. Il materiale di partenza per questo è un materiale composito costituito da pannelli a tre strati, compensato o sandwich . Questi legni sono fissati a un tessuto portante in tessuto in poliestere e fibre di vetro con un adesivo bicomponente incollato. Di conseguenza, la struttura può essere prodotta in termini di area, i singoli binari possono essere trasportati al cantiere e installati lì.

D Metodi di costruzione 

La costruzione a guscio è una forma di moderna struttura spaziale .

Fino ad oggi, è comune progettare le ciotole per scegliere forme geometriche definite matematicamente. Tuttavia, il tempo delle forme semplicemente curve è finito; Ora l’architetto ha a sua disposizione superfici doppiamente curve, dalle cupole ai paraboloidi iperbolici . Quasi tutte queste forme sono quadrate, il che significa anche che problemi correlati come tensione, cambiamenti di forma e altro sono stati esplorati meglio di prima.

Un principio potrebbe essere: “ Se scegli la forma giusta (nel progetto architettonico), metà del lavoro è già fatto. Ciò significa assegnare alla geometria il posto giusto “.

Il processo di fabbricazione può anche influenzare la forma delle ciotole.

Spesso sono prefabbricati , le ciotole in legno lo sono da decenni. I singoli elementi sono realizzati in dimensioni facili da trasportare e sollevare. Con la prefabbricazione, il risparmio nella spesa materiale è una priorità nello sviluppo. La relazione tra forma e capacità di carico non è affatto più stretta nella costruzione che nelle costruzioni a guscio. Grazie agli ulteriori sviluppi, le costruzioni a guscio richiedono una spesa materiale minima rispetto ad altre costruzioni edili.

Ciotole prefabbricate sono state trovate nelle costruzioni industriali dalla fine degli anni ’40 . Poiché la prefabbricazione doveva essere resa possibile anche per gli edifici generali, erano suddivisi nelle seguenti tipologie:

• “Costruzioni a guscio prefabbricate con compiti speciali per la costruzione, la funzione, la progettazione e la rappresentazione. In questo caso è spesso giustificato utilizzare le parti prefabbricate prodotte come produzione individuale in cantiere o in fabbrica “
• “Costruzioni prefabbricate a guscio che possono essere utilizzate molto frequentemente negli edifici industriali. Oltre ai tetti dei padiglioni e degli edifici bassi, dove è richiesta una grande distanza tra le colonne, questo include anche le strutture del tetto … “

Un’ulteriore classificazione potrebbe essere effettuata in base alla produzione in fabbrica o in cantiere , nonché alla produzione industriale o individuale .

Un grande passo è stato fatto anche a favore della costruzione a guscio per le attrezzature di lavoro : decenni fa era un grande sforzo rivestire forme per lo più geometricamente complesse con elaborate casseforme in legno , ma ora sono disponibili ponteggi metallici trasferibili, riutilizzabili ed economici. In questo modo, forme statico-costruttive possono essere prodotte monoliticamente.

E Gusci reticolari 

Oltre ai gusci chiusi, ci sono gusci reticolari , strutture planari aperte rigide . Sono particolarmente adatti per tetti come grandi tetti in vetro curvo. Sono tutte conchiglie a pareti sottili e curve. Il loro peso e i carichi esterni sono in gran parte sopportati dal normale carico di forza nel piano medio del guscio (stato di sollecitazione della membrana). I carichi di trazione e flessione possono essere assorbiti tirando le superfici di vetro in posizione come rinforzo.

Le ciotole a reticolo possono anche essere descritte come una ciotola con molte grandi aperture. Tuttavia, il comportamento portante non deve essere compromesso. Se, ad esempio, il guscio della griglia è costituito da singole barre , i collegamenti delle barre nei nodi e il tipo di rete devono garantire l’effetto portante.

Problemi di stabilità come l’ instabilità possono verificarsi con gusci reticolari molto larghi . Tali gusci devono essere dotati di complesse misure aggiuntive come archi, telai , campate di cavi o simili. I nodi simili a frame devono essere implementati se le diagonali non sono desiderate.

Un importante esempio di gusci reticolari è il Multihalle di Mannheim.

Link

https://de.wikipedia.org/wiki/Schale_(Technische_Mechanik)

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