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Blog Ansys

April 28, 2020

Comment concevoir et comprendre les structures de tenségrité inhabituelles ?

Les vidéos que les ingénieurs aiment partager entre eux ont tendance à décrire des systèmes physiques non intuitifs et fascinants. L'une de nos vidéos préférées est la table flottante de The Action Lab, qui illustre la nature inhabituelle des structures de tenségrité.

Comment fonctionne la table flottante de l'Acton Lab ?


La tenségrité, ou intégrité de la tension, décrit un système de composants isolés et comprimés au sein d'un réseau d'accords qui sont soumis à une tension continue. Dans une structure de tenségrité pure, ces composants ne se touchent pas mais subissent néanmoins une compression.

Il est difficile de croire que des cordes puissent être faites pour supporter des charges de compression. Nous pouvons l'imaginer suspendant une charge en utilisant sa force de traction - comme votre grue classique. Mais les cordes ne sont pas capables de supporter la compression par elles-mêmes. Cependant, avec une configuration et un équilibrage adéquats, elles peuvent suspendre un système de composants soumis à une compression.

La corde d'une grue est un système classique
sous tension. Elle n'est pas en mesure de supporter
des charges de compression par elle-même, mais cela
change avec la bonne configuration de tenségrité.

Une structure qui subit cette forme de compression flottante gagne en force grâce aux cordes sous tension qui suspendent les composants comprimés. Par conséquent, ces systèmes donnent aux cordes la capacité de soutenir un système sous compression.

Pour apprendre à simuler les accords, regardez le webinaire : Ansys Structures 2020 R1 Update.

Apprenez comment fonctionnent les structures de tenségrité

Bien qu'une grue ne puisse pas supporter à elle seule des charges de compression, elle peut être le secret de la construction d'une structure de tenségrité.

Une simulation de la table flottante

Par exemple, dans l'exemple de la table flottante, les deux pièces de plastique qui constituent la base et le plateau contiennent une structure semblable à une grue. Ces structures sont maintenues ensemble par la tension de la corde centrale. Les trois cordes ajoutées à chaque coin des sections de la base et du plateau sont là pour ajouter de la stabilité.

Il s'agit d'équilibrer le poids. La corde fixée aux poutres en forme de grue ne peut retenir le poids que dans une seule direction. Dans un monde parfait, la seule force agissant sur le système serait la gravité et le système serait équilibré de telle sorte que cette corde centrale serait tout ce dont on a besoin.

Mais en réalité, le fait de n'avoir qu'une seule corde créerait un système instable, comme un pendule. Les autres cordes ajoutent de la stabilité en modifiant leur tension en fonction de la répartition du poids.

Le pont Kurilpa (à l'origine le pont Tank Street) au-dessus de la rivière Brisbane
à Brisbane, Queensland, Australie.

Ces structures suspendues ont des applications pratiques pour la construction de ponts. Par exemple, le pont Kurilpa à Brisbane, dans le Queensland, en Australie, est l'une des structures de tenségrité hybride les plus célèbres que les gens peuvent utiliser pour traverser une voie navigable. Il est suspendu par une série de piliers semblables à des grues qui utilisent des cordes pour maintenir la structure en place.

Cependant, comme pour la table flottante, il pourrait être difficile de comprendre comment cette structure reste intacte. Pour se faire une meilleure idée, les ingénieurs peuvent construire un modèle du pont, ou de la table flottante, à l'aide de ficelle et de pièces imprimées en 3D. Pour ceux qui n'ont pas accès à une imprimante 3D, ils peuvent essayer de construire les composants suspendus à partir de Lego ou de bâtons de Popsicle.

Comment concevoir et simuler des structures de tenségrité ?

Pour apprendre à concevoir et à modéliser ces structures, il est bon de commencer par un exemple simple, comme la table flottante.

La simulation de la table flottante montre comment certaines poutres en plastique
sont en compression et d'autres en tension.
La majorité de la force est sur la corde du milieu.

Pour simplifier les calculs, les ingénieurs devront trouver des moyens de réduire la complexité du modèle. Dans ce cas, la base, les structures de type grue et les cordes peuvent toutes être modélisées respectivement comme des surfaces, des poutres et des cordes. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de recourir à la modélisation solide.

La fonctionnalité d'élément de câble a été récemment ajoutée dans Ansys Mechanical 2020 R1. Il s'agit d'une mise à niveau des éléments de liaison précédents.

Ces éléments de câble ne fonctionnent que sous tension et leurs extrémités sont libres de tourner. Cela diffère d'un élément de poutre qui peut subir une tension, une compression et qui est soudé en place.

Une fois la simulation créée, les ingénieurs peuvent l'utiliser pour optimiser l'emplacement des câbles afin de mieux répartir le poids, tenir compte des fréquences naturelles et stabiliser la structure. Ils peuvent également effectuer une simulation de flambage s'ils craignent que l'un des éléments suspendus ne se déforme, ou ne se brise, en cas de défaillance d'un des câbles.

Si ce concept de simulation devait être étendu à la conception d'un pont, les ingénieurs devraient également l'optimiser pour des distributions de poids variables, des vents forts, des tremblements de terre et d'autres conditions. Ces simulations peuvent être utilisées pour s'assurer que la base, les structures de type grue et les câbles seront tous capables de résister aux forces qu'ils subiraient sur le terrain.

Ainsi, les ingénieurs peuvent trouver le talon d'Achille de leur conception et concentrer leurs optimisations jusqu'à ce qu'ils soient sûrs que la structure survivra dans le monde réel. En général, cette optimisation consiste à modifier la géométrie, la section transversale, les matériaux et le placement des objets suspendus et des cordes.

Pour en savoir plus, regardez le webinaire : Ansys Structures 2020 R1 Update.

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