SUPERVISOR
Morteza Madhkhan,Mojtaba Azhari
مرتضی مدح خوان (استاد مشاور) مجتبی ازهری (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Davary
علی داوری نجف آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Preliminary form finding of tensile fabric structure by force density method
Tensile fabric structures which are also known as tensile membrane structures are a part of the big category of tensile structures due to their specific tensile behavior under forces. Moreover they also belong to the category of spatial structures because of possessing a three-dimensional geometric shape and additionally their low weight makes them a part of lightweight structures. The use of tensile fabric structures in designing stadiums, shopping centers, parking lots, etc. provides flexibility in the matter of choosing the structural form to a greater extent. All over the world, the most astonishing and complex designs are becoming possible due to the lightness and flexibility of the consumed materials. One important issue in the process of designing these structures is the close relation between the form and the structural behavior which indeed requires the close cooperation of Structural engineers and Architects. Therefore one of the most critical steps in the process of designing the tensile fabric structures is to find a form which simultaneously meets both structural engineers’ and architects’ expectations. Because of the limited research papers in Persian literature in the area of the design of tensile fabric structures, which these limited number of publications mostly have focused on the architectural knowledge of tensile fabric structures, this thesis aims to provide an underlying study as a groundwork for future studies in preliminary form design, analysis and construction of these spatial structures. Therefore besides finding a preliminary form for these structures, which the focus of this thesis is mostly on, the other steps in designing of these structures alongside with a summary of the history of the studies (followed by a brief explanation) is also included in this thesis. Furthermore with the examination of the existing methods for preliminary form design and considering different concerns and obstacles which architects would face in achieving a form for these spatial structures, some of these concerns were addressed with a structural approach. In order to resolve these concerns, a computer program has been developed in which it doesn’t require a strong knowledge of structural engineering that makes it suitable for those architects who do not poses a comprehensive structural engineering background which provides them with a means of obtaining the ideal plausible form. It has been intended to make the computations as less time and money costly as possible. As in an architect’s point of view, one of the most important factors in choosing the form is the way in which the structural form relates to the surrounding environment, the program’s output is provided in an accepted format for common designing software which enables the architect to analyze the acquired structural form in close comparison with three-dimensional architectural elements. Another obstacle for architects is their lack of knowledge regarding the existing methods for achieving different forms, so factors that affect the preliminary form such as internal forces magnitude, boundary conditions and methods of defining the elements have been investigated. Changing any of these factors will create new forms. The results will enable the architect to get familiarized with the changes that these factors produce and to use them as a means of achieving the different forms. In order to achieve a stable structural form, the force density method has been applied throughout the studies. In this method computations are done with the use of bar elements and by satisfying the stability equations a set of stable forms under pre-stressed forces will be acquired according to the boundary conditions. Furthermore by the use of repetitive methods such as Multi-step force-density method with stress adjustment (MFDS) and Multi-step force density method with force adjustment (MFDF), a form has been attained in which all the elements have the same internal forces. This is done to prevent the formation of wrinkles on the structure’s surface and to minimize the area/amount of consumed fabric materials. Eventually, the NURBS (Non-Uniform Non Rational B-Spline) have been implemented in generating the program’s output in order to reduce the computational time and to provide a more appropriate means of implementing the attained geometric form in common design software. Keywords : Tensile fabric structures, Preliminary form finding, force density method, multi-step force density methods, NURBS(Non-Uniform Non Rational B-Spline.
سازه های پارچه ای کششی که با نام سازه های کششی غشایی نیز شناخته می شوند، با توجه به رفتار کششی خاص در برابر نیروها، زیرمجموعهای از مجموعهی بزرگ سازه های کششی محسوب می شوند. از سوی دیگر به علت برخورداری از یک هندسه فضایی سهبعدی به خانوادهی سازه های فضایی تعلق دارند وهمزمان به خاطر سبکی وزن در گروه سازههای سبک نیز قرار می گیرند. استفاده از سازه های پارچه ای در طراحی استادیوم ها، مراکز خرید، پارکینگ ها و.... آزادی عمل فراوانی در زمینهی انتخاب فرم به طراح می دهد. به طوریکه در تمام دنیا غیرمنتظره ترین پروژه ها با استفاده از ویژگی سبکی و انحناپذیری این مصالح، قابل ساخت است. نکته حائز اهمیت ارتباط تنگاتنگ فرم و عملکرد سازه در این نوع مصالح است که مستلزم ارتباط وهمکاری متقابل مهندسین سازه و معمار در طراحی این سازه ها میباشد. بنابراین یکی از حساس ترین مراحل طراحی سازه های چادری یافتن فرمی است که بتواند به طور همزمان نیازهای مهندسین سازه و مهندسین معمار را برآورده نماید. با توجه به محدود بودن منابع فارسی در زمینهی طراحی سازه های پارچه ای کششی و این نکته که همین منابع محدود نیز غالبا به بررسی این سازه ها از نظر معماری پرداخته اند، در این پایان نامه سعی شد تا در حد امکان بستری برای انجام مطالعات آینده در زمینهی طراحی فرماولیه، آنالیز و اجرای این سازه ها فراهم شود. از این رو علاوه بر مرحله یافتن فرم اولیه، که تمرکز اصلی پایان نامه بر این موضوع است، مراحل دیگر طراحی این سازه ها به همراه تاریخچهی مختصری از مطالعات انجام شده و توضیح اجمالی بر هر کدام نیز ارائه شده است. همچنین با بررسی روشهای موجود در زمینه طراحی فرم اولیه و در نظر گرفتن دغدغه ها و معضلات پیش روی معماران در طراحی فرم این سازه ها با رویکردی سازهای به حل برخی از این دغدغه های پرداخته شد. برای حل این دغدغهها برنامهای تهیه شد که کار با آن نیاز به اطلاعات سازهای پیشرفته ندارد و مهندسین طراح که آشنایی کامل با علم سازه ندارند، می توانند به راحتی از آن به منظور یافتن فرم ایدهآل و ممکن استفاده نماید؛ همچنین تا حد امکان سعی بر آن بوده است که از هزینه و زمان محاسبات کاسته شود. از آنجایی که یکی از مسائل مهم در انتخاب فرم توسط معمار، نحوه ارتباط فرم سازه با عوامل محیطی پیرامون آن می باشد، خروجی برنامه به صورتی است که توسط نرم افزارهای متداول طراحی قابل استفاده است و طراح میتواند با استفاده از این نرمافزارها فرم بهدست آمده را در کنار مدل سه بعدی دیگر المانهای معماری قرار داده و ارتباط آنها را بررسی نماید. یکی دیگر از مشکلات پیشروی طراحان عدم آشنایی با عوامل و ابزارهای در دسترس به منظور رسیدن به فرمهای مختلف میباشد؛ از این رو به بررسی عوامل موثر بر فرم اولیه از جمله مقدار نیروهای داخلی، شرایط مرزی و نحوهی المان بندی پرداخته شد. با تغییر هر کدام از این عوامل اشکال جدیدی بهدست میآید. مهندس معمار با استفاده از نتایج حاصل با نحوه و میزان تغییرات ایجاد شده توسط این عوامل آشنا شده و میتواند از آنها به عنوان ابزاری مناسب در جهت رسیدن به فرمهای مختلف استفاده نماید. برای یافتن فرم متعادل سازه از روش تراکم نیروها استفاده شد. در این روش محاسبات با استفاده از المانهای میلهای انجام میشود و با ارضاء معادلات تعادل، مجموعهای از فرمهای متعادل با توجه به شرایط مرزی تحت نیروهای پیشتنیدگی بهدست میآید؛ در ادامه به منظور جلوگیری از ایجاد چین و چروک در سطح سازه و حداقل سازی سطح مصالح مصرفی با استفاده از روشهای تکراری همچون اصلاح چندمرحلهای نیرو یا اصلاح چندمرحلهای تنش، فرمی که در آن نیرویهای داخلی در تمامی المانها برابر باشد یافته شد. در نهایت به منظور کاهش زمان محاسبات و ایجاد امکان استفادهی بهتر از شکل بهدست آمده در نرمافزارهای متداول طراحی، از توابع نربز(NURBS) برای بیان خروجی برنامه تهیه شده استفاده شد. کلمات کلیدی: سازههای پارچهای کششی، سازههای چادری، یافتن فرماولیه، تراکم نیروها، اصلاح چند مرحلهای نیرو، توابع نربز.