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BLOG ANSYS

April 28, 2020

Come progettare e comprendere le insolite strutture di tensegrità

I video che gli ingegneri amano condividere tra loro tendono a rappresentare sistemi fisici non intuitivi e affascinanti. Uno dei preferiti di recente è il tavolo galleggiante di The Action Lab che dimostra la natura insolita delle strutture di tensegrità.

Come funziona il tavolo galleggiante di The Acton Lab?


La tensegrità, o integrità di trazione, descrive un sistema di componenti isolati e compressi all'interno di una rete di cavi che sono sotto tensione continua. In una struttura di pura tensegrità, questi componenti non si toccano ma subiscono comunque una compressione.

È difficile credere che si possano creare stringhe per supportare carichi di compressione. Possiamo immaginare che se si sospende un carico usando la sua resistenza alla trazione, come una classica gru. Ma i cavi non sono in grado di supportare la compressione da soli. Tuttavia, con la giusta configurazione e bilanciamento, possono sospendere un sistema di componenti che sono sotto compressione.

La corda in una gru è un sistema classico
sotto tensione. Non è in grado di supportare
carichi compressivi da soli ma questo
cambia con la giusta configurazione di tensegrità

Una struttura che sperimenta questa forma di compressione flottante guadagna forza dai cavi sotto tensione che sospendono i componenti compressi. Di conseguenza, questi sistemi danno ai cavi la capacità di supportare un sistema sotto compressione.

Per imparare a simulare i cavi, guardate il webinar: Ansys Structures 2020 R1 Update.
 

Scopri come funzionano le strutture di Tensegrità

Sebbene una gru non sia in grado di sostenere da sola i carichi di compressione, può essere il segreto per costruire una struttura a tensegrità.

Una simulazione del tavolo galleggiante

Ad esempio, nel tavolo galleggiante, i due pezzi di plastica che compongono la base e il piano contengono una struttura simile a una gru. Queste strutture sono tenute insieme attraverso la tensione della corda centrale. I tre cavi aggiunti ad ogni angolo della base e delle sezioni superiori sono lì per aggiungere stabilità.

Si tratta di bilanciare il peso. La corda attaccata alle travi simili a una gru può sostenere il peso solo in una direzione. In un mondo perfetto, l'unica forza che agisce sul sistema sarebbe la gravità e il sistema sarebbe bilanciato in modo tale che questa corda centrale sarebbe sufficiente.

Ma in realtà, avere una sola corda creerebbe un sistema instabile, come un pendolo. Gli altri cavi aggiungono stabilità modificando la loro tensione in base alla distribuzione del peso.

Il Kurilpa Bridge (originariamente il Tank Street Bridge) sul
Brisbane River a Brisbane, Queensland, Australia

Queste strutture sospese hanno applicazioni pratiche per la costruzione di ponti. Ad esempio, il ponte Kurilpa a Brisbane, nel Queensland, in Australia, è una delle più famose strutture ibride di tensegrità che le persone possono utilizzare per attraversare un corso d'acqua. È sospeso da una serie di pilastri simili a gru che utilizzano cavi per mantenere la struttura in posizione.

Tuttavia, come il tavolo galleggiante, potrebbe essere difficile capire come questa struttura rimanga intatta. Per avere un'idea migliore, gli ingegneri possono costruire un modello del ponte, o il tavolo galleggiante, utilizzando cavi e parti stampate in 3D. Per coloro che non hanno accesso a una stampante 3D, possono provare a costruire i componenti sospesi con i mattoncini Lego o i bastoncini del ghiacciolo.

Come progettare e simulare strutture di tensegrità

Per imparare a progettare e modellare queste strutture, è bello iniziare con un semplice esempio, come il tavolo galleggiante.

La simulazione del tavolo galleggiante mostra come alcune travi di plastica
sono in compressione e alcune sono in tensione.
La maggior parte della forza è sulla corda centrale.

Per semplificare i calcoli, gli ingegneri dovranno trovare modi per ridurre la complessità del modello. In questo caso, la base, le strutture a forma di gru e i cavi possono essere tutti modellati rispettivamente come superfici, travi e cavi. Di conseguenza, non è necessaria la modellazione solida.

La funzionalità dell'elemento cavo è stata recentemente aggiunta in Ansys Mechanical 2020 R1. Si tratta di un aggiornamento agli elementi di collegamento precedenti.

Questi elementi cavo funzionano solo con la tensione così che le loro estremità sono libere di ruotare. Questo differisce da un elemento trave che può subire tensione, compressione e viene saldato in posizione.

Una volta creata la simulazione, gli ingegneri possono utilizzarla per ottimizzare il posizionamento dei cavi per distribuire meglio il peso, tenere conto delle frequenze naturali e stabilizzare la struttura. Possono anche eseguire una simulazione di instabilità se temono che uno degli elementi sospesi possa piegarsi o rompersi se uno dei cavi dovesse guastarsi.

Se questo concetto di simulazione dovesse essere esteso a un progetto di ponte, gli ingegneri avrebbero anche bisogno di ottimizzarlo per distribuzioni variabili del peso, forti venti, terremoti e altre condizioni. Queste simulazioni possono essere utilizzate per garantire che la base, le strutture simili a gru e i cavi siano tutti in grado di sopravvivere alle forze che sperimenterebbero sul campo.

Di conseguenza, gli ingegneri possono trovare il punto debole del loro design e concentrare le loro ottimizzazioni fino a quando non sono sicuri che la struttura sopravviverà nel mondo reale. Generalmente, questa ottimizzazione consisterà nel cambiare la geometria, la sezione trasversale, i materiali e i posizionamenti degli oggetti e dei cavi sospesi.

Per saperne di più, guarda il webinar: Aggiornamento R1 di Ansys Structures 2020.

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