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Main Title: Conceptual and Structural Design of Adaptive Membrane Structures with Spoked Wheel Principle – Folding to the Perimeter
Translated Title: Entwurf und Konstruktion von adaptiven Membrankonstruktionen bei Speichenraddächern – Faltung zum äußeren Rand
Author(s): Masubuchi, Motoi
Advisor(s): Schlaich, Mike
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Räume, die sich an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen können, (Mehrzweck- bzw. funktional adaptive Konstruktionen) werden von Bauherren immer mehr gefordert, da sie eine optimale Nutzung unter veränderlichen Randbedingungen ermöglichen. Eine Antwort darauf sind wandelbare Strukturen, so wie ein wandelbares Dach, das eine Nutzungsvielfalt von z.B. großen Hallen zulässt: je nach den Anforderungen können Sportveranstaltungen oder Konzerte stattfinden, es sind Openair- bzw. Inhouseveranstaltung möglich. Bisher wurden mehrere wandelbare Membrandächer kombiniert mit einer Speichenrad-Konstruktion entworfen und gebaut. Der Vorteil dieser Kombination ist klar: zum einen hat eine Membran hat ein geringes Gewicht und ist daher leicht zu bewegen. Zum anderen ist die Membran sehr flexibel und kann gefaltet werden. Das Prinzip eines Speichenrads, wie es beispielsweise für Fahrräder verwendet wird, ist zugleich ein sehr effizientes Konstruktionssystem, da es hauptsächlich aus Zugelementen besteht und ebenfalls ein geringes Gewicht aufweist. So können große Spannweiten mit einer geringen Menge an Material erreicht und aufgrund der geringen Abmessungen der Tragprofile kann zugleich eine große Transparenz erzielt werden. Die meisten beweglichen Membrandächer mit einer Speichenrad-Konstruktion falten sich bei der Öffnung des Dachs zur Mitte hin auf. Folglich hängt dann die zusammengenfaltete Membran in der Dachmitte und wirft einen Schatten auf das Spielfeld. Dieses ist für Fernsehübertragungen sehr nachteilig. Außerdem beeinträchtigt das über dem Spielfeld hängende Membranbündel den freien Blick in den Himmel und somit das ästhetische Erscheinungsbild. Eine Faltung der Membran in die entgegengesetzte Richtung, also zum Dachrand hin, würde diese Probleme lösen: es käme zu keinem Schattenwurf der Membran auf das Spielfeld und eine freie Öffnung über dem Spielfeld wäre erreicht! Dies ist die grundlegende Motivation dieser Arbeit. Eine mögliche Lösung für ein wandelbares Membrandach mit Faltung zum Dachrand muss sich mit zwei Aspekten befassen: zum einen mit der geometrischen Umsetzung, zum anderen mit der Aufbringung der Vorspannung der Membran. Die geometrische Problemstellung beruht auf der Inkonsistenz zwischen der erforderlichen Form der Membran und den gerade verlaufenden radialen Seilen des Speichenrades. Unter den verschiedenen Ansätzen, die zur Lösung aufgezeigt wurden, sind zwei praktische und mögliche Lösungen weiter entwickelt worden. Für den ersten Ansatz werden die Membranstreifen so geformt, dass die radialen Seile gerade verlaufen können. Im Allgemeinen ist das Tragverhalten einer Membran durch ihre Geometrie bedingt. Daher ist bei diesem Ansatz die größte Herausforderung, die Membran in eine doppelt-gekrümmte Form zu überführen und gleichzeitig die Faltbarkeit zu gewährleisten. Die vorgeschlagene Lösung verändert die Randbedingung der Membran im nicht vorgespannten und im vorgespannten Zustand. Die geometrische Veränderung kann durch die vertikale Bewegung des gesamten Druckrings durchgeführt werden. Diese Methode wird "bewegliche Druckring-Methode" genannt und in "Fallstudie A" eingehend analysiert und diskutiert. Dabei wurde neben der strukturellen Analyse auch die Umsetzung dieser Methode anhand eines physikalischen Modells überprüft, das der Autor im Labor der TU-Berlin in Deutschland gebaut hat. Beim zweiten Lösungsansatz dienen Seilbinder dazu, die radialen Seile zu krümmen, so dass zwischen den Radialseilen rechteckige Membranstreifen verwendet werden können. Bei diesem Ansatz stellt die gleichmäßige Aufbringung der Membranvorspannung die größte Herausforderung dar. Durch das Anheben der Seilbinder, die die textile Membran "mitziehen", kann die Vorspannung erzielt werden. Dieser Mechanismus nutzt den Vorteil, dass eine kleine, nach außen gerichtete, Verschiebung der Ankerpunkte der oberen Seile des Seilbinders eine große Verformung der gesamten Struktur nach oben verursacht. Das kinematische Verhalten der Seilbinder wurde in einer umfassenden Parameterstudie untersucht, die analytischen Ergebnisse auf das bewegliche Membrandach übertragen und so ein neuartiges Prinzip zur Vorspannung umgesetzt.
Functionally-adaptive structures are increasingly being demanded by infrastructure owners, who need to utilize space for multiple purposes, optimally. Convertible roofs fall under this category, for example, an event space with a retractable roof could be used for sports games in an open condition and for music concerts in the closed condition. To date, several membrane retractable roofs combined with a spoked-wheel structure have been designed and constructed. The advantage of this combination is that the light weight and flexibility of the membrane allows it to be moved and positioned easily, while the spoked wheel structure --similar in construction to a bicycle wheel-- provides a lightweight support system for the membrane. Thus large areas can be covered with a relatively small amount of material. Furthermore, since their profiles are small, large transparency in the overall appearance can be obtained. Most of the membrane retractable roofs with spoked-wheel structure store the folded membrane in the center, when the roof is open. A bundle of folded membrane remains in the center of the roof, which is not favorable, for instance, for broadcasting; the bundle casts a shadow in the playing field. There are also aesthetic considerations in leaving this membrane at the centre. However, if the textile membrane can be folded to the perimeter of the roof, these problems would be solved. There will be no shadows on the field and moreover this creates a free opening. This is the basic motivation of the current research. Any proposed solution has to deal with two aspects: first, there is a geometrical issue, and second, a structural question concerning the prestressing of the membrane. The geometrical issue presents an inconsistency between the required shape of the membrane and the radial cable. Amongst several approaches to overcome these problems, two practical geometrical solutions have been developed. In the first approach, the membrane strips are shaped so that the radial cables are aligned straight in space. Generally, the structural behavior of the membrane is related to its geometry. Therefore, the main challenge in this approach is how to obtain the doubly curved structural form of the membrane that can also satisfy the condition of the foldability. The proposed solution here is to change the boundary condition of the membrane to an intermediate state between prestressed and non-prestressed. This geometrical alternation could be achieved by the vertical movement of the entire compression ring. This "raised compression ring" method is developed and discussed as the "case study A". In addition to the structural analysis, the feasibility of this method was checked through the physical model that the author built in the laboratory of TU-Berlin in Germany. For the second approach, the radial cables are curved, thus rectangular membrane strips can be used. The main challenge of this approach is how to introduce the prestressing force uniformly in the textile membrane. The solution is to lift the cable girders along with the textile membrane. One advantage of this mechanism is that a minor shift of the anchor point of the upper cable efficiently causes a major lift of the whole structure. The kinematic behavior of the cable girders was revealed through an exhaustive parameter study. Then, these analytical results were transferred to the prestressing system of a retractable membrane roof.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38970
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3843
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3546
Exam Date: 25-Sep-2012
Issue Date: 27-Mar-2013
Date Available: 27-Mar-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adaptive Konstruktion
Leichtbau
Membran
Speichenrad-Konstruktion
Wandelbares Dach
Adaptive structure
Lightweight structure
Membrane
Retractable roofs
Spoked-wheel structure
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