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ETFE--柔性結構之自行調節能力

日期:2021-09-07

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無(wú)論從材料屬性還是結構來(lái)看,ETFE氣枕式膜結構都可謂是一種柔性結構。同眾多建筑材料強調材料強度不同,ETFE膜材展現的是其延展能力。同鋼材、水泥或玻璃相比,ETFE23.5N/mm2的低應力條件下就會(huì )屈服。但事實(shí)也表明,從延展至最終撕裂,ETFE膠可延他至原在尺4倍。因此ETFE膜非常適合充氣結構,通過(guò)注入氣體撐起膜面并保持膜面緊繃。雖然其內部氣壓值只維持在200~600Pa之間,相當于0.2%-0.6%的汽車(chē)輪胎內氣壓,但這已足以保障膜面抵御外來(lái)的風(fēng)雪荷載。雖然來(lái)自氣枕內部的預應力與外部活荷載均臨近ETFE膜的屈服點(diǎn)但ETFE材料的抗拉能力與延展性能杜絕了破壞的發(fā)生。這意味著(zhù)ETFE氣枕式膜結構要遠強于由木材、鋼鐵、鋁材或其他建筑材料組成的結構體系.

1968,雷諾·班漢姆通過(guò)與既有結構的對比描述了充氣式膜結構的性能,“建筑就像處在內外環(huán)境之間的銜接體,在某種程度上,一旦我們意識到這些已有建筑發(fā)生這樣的情況(水的聲音、瓦片紛飛、窗子吱吱作響),便可認定這些銜接出現了故障。但充氣式結構卻具有自行調節、修復的能力。如果它不發(fā)生顫動(dòng)或吱吱作響,反而意味著(zhù)出現了故障。膜材自行調節功能與那些辦公大樓上的玻璃幕墻相比可謂是真正生態(tài)意義上的‘皮膚’?!?/span>

在班漢姆實(shí)驗性的小型充氣穹頂中,他補充道:“充氣的美在于支撐體間會(huì )直接產(chǎn)生連鎖性的反應。任何來(lái)自該穹頂結構內外的輕微觸動(dòng)——甚至是大聲說(shuō)話(huà)——都會(huì )引發(fā)膜面的一系列反應。這與任何來(lái)自昂貴計算機的預都無(wú)關(guān),僅僅是由于內外存在壓差造成的。這種使用者與建筑物之間的關(guān)系,看似是各行其道實(shí)則息息相關(guān)。

雖然班漢姆特指的是氣承式充氣結構,但他對于自行調節膜的論述同樣適用于氣枕式膜結構。充氣后,ETFE氣枕的內部壓力、表面張力與膜面曲率達成某種形式上的平衡。并非是依靠材料自身強度承載壓力,ETFE氣枕通過(guò)形變吸收能量、緩沖速度,與材料不同,氣枕的這種形變是可逆的。當荷載加大,氣枕將會(huì )變硬,膜材曲率增高,從而更好地承載壓力。膜材與氣枕協(xié)調形變最終促成了一套主動(dòng)完善的自行調節系統。

充氣后的ETFE氣枕重量約為傳統密閉式結構的百分之一,從而極大減少了基礎所需承擔的固有荷載。規格化生產(chǎn)的普通玻璃,其最大跨度只有1.5m,而單向承載的ETFE氣跨度可達3~5m,雙向承載高達1m。足夠大的跨度模數保證了在無(wú)需二級支撐結構的情況下,主體結構即可形成對氣枕的支撐。除了滿(mǎn)足跨度和承載力的需求,主體結構還需考慮變形及扭曲等。ETFE氣枕即便是在通常結構的支撐情況下,也會(huì )產(chǎn)生變形和偏移,因此為了消除這種形變,膜材與結構主體應設計成柔性連接。

 


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