Thesis (Ph.D.)--University of Delaware, 2006. / Principal faculty advisor: Sunil K. Agrawal, Dept. of Mechanical Engineering. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--Ohio University, November, 1998. / Title from PDF t.p.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Katherine A. Liapi. Vita. Includes bibliographical references. Also available from UMI.

Thesis (M.S.M.E.)--University of Delaware, 2006. / Principal faculty advisor: Sunil K. Agrawal, Dept. of Mechanical Engineering. Includes bibliographical references.

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A pesquisa foi desenvolvida com a finalidade de se analisar o comportamento elástico e inelástico de estruturas de cabos, sob carregamento estático, pela técnica dos elementos finitos. Para a discretização das estruturas de cabos adotou-se um elemento retilíneo isoparamétrico, e na formulação dos princípios variacionais foram considerados a não linearidade física do material e a não linearidade geométrica, inerente às estruturas de cabos. Empregou-se o método incrementai-iterativo de Newton-Raphson para a resolução do sistema de equações não lineares. Alternativamente a solução foi obtida da minimização direta da função energia potencial total da estrutura de cabos, utilizando-se o método do Gradiente Conjugado. Vários exemplos de estruturas de cabos comumente empregadas em coberturas de grandes vãos foram estudados. Os resultados obtidos segundo os dois procedimentos foram analisados e a eficiência elos métodos foi comprovada. / The research was developed with the purpose of analyzing the elaslic and the inelaslic behaviour of cable slructures, under static load. The finite element method with straight isoparametric element was used. In the formulation of the variational principles, the material and the geometric non-linearity were considered. The Newton-Raphson method was used to resolve the non-linear equations system. Alternatively the solution was obtained of the direct minimization of the total potential energy of the cable structure; in this case using the Conjugated Gradient Method. Several examples of cable structures, commonly employed in roofs of large spaces were studied. The results were obtained according to both processes and the efficiency of the methods was verified.

A pesquisa foi desenvolvida com a finalidade de se analisar o comportamento elástico e inelástico de estruturas de cabos, sob carregamento estático, pela técnica dos elementos finitos. Para a discretização das estruturas de cabos adotou-se um elemento retilíneo isoparamétrico, e na formulação dos princípios variacionais foram considerados a não linearidade física do material e a não linearidade geométrica, inerente às estruturas de cabos. Empregou-se o método incrementai-iterativo de Newton-Raphson para a resolução do sistema de equações não lineares. Alternativamente a solução foi obtida da minimização direta da função energia potencial total da estrutura de cabos, utilizando-se o método do Gradiente Conjugado. Vários exemplos de estruturas de cabos comumente empregadas em coberturas de grandes vãos foram estudados. Os resultados obtidos segundo os dois procedimentos foram analisados e a eficiência elos métodos foi comprovada. / The research was developed with the purpose of analyzing the elaslic and the inelaslic behaviour of cable slructures, under static load. The finite element method with straight isoparametric element was used. In the formulation of the variational principles, the material and the geometric non-linearity were considered. The Newton-Raphson method was used to resolve the non-linear equations system. Alternatively the solution was obtained of the direct minimization of the total potential energy of the cable structure; in this case using the Conjugated Gradient Method. Several examples of cable structures, commonly employed in roofs of large spaces were studied. The results were obtained according to both processes and the efficiency of the methods was verified.

Der Einsatz von Seilen im Ingenieurbau ermöglicht häufig konkurrenzlos leichte, widerstandsfähige und zugleich wirtschaftliche Tragwerkslösungen. Voraussetzung hierfür ist eine wirklichkeitsnahe statische Bemessung der Seile. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines „Open Source“ Computerprogrammes für die Schnittgrößenberechnung ebener Seilsysteme an zwei Aufhängepunkten. Dafür werden zunächst allgemeine und bemessungsrelevante Aspekte zum Bauteil Seil vorgestellt. Anschließend erfolgt die theoretische Herleitung von drei Berechnungsmodellen, welche für unterschiedliche Belastungsarten ausgelegt sind. Jedes dieser Berechnungsmodelle wird anhand eines praxisnahen Anwendungsbeispiels veranschaulicht. Auf Grundlage der theoretischen Herleitungen wird mithilfe der Mathematiksoftware „MATLAB“ ein Berechnungsprogramm für ebene Seiltragwerke entwickelt. Die Plausibilität dieses Programms wird durch Vergleichsrechnungen mit der Statiksoftware „RFEM“ im Rahmen einer Parameterstudie nachgewiesen. Innerhalb der Plausibilitätskontrolle können größtenteils Abweichungen von weniger als 5 % erzielt werden. Einzelne Versuche zeigen größere Abweichungen. Hierfür werden die Ursachen erschlossen und behoben, bzw. Anwendungsgrenzen definiert, um eine sichere Verwendung des Programms zu gewährleisten.:1 Einführung 10 1.1 Seile im Bauwesen 10 1.2 Zielsetzung 11 1.3 Literaturüberblick und aktueller Wissensstand 12 2 Allgemeine Ausführungen zum Seil 13 2.1 Materialien 13 2.2 Herstellung 14 2.3 Eigenschaften von Drahtseilen 16 2.4 Anwendungsgebiete 27 2.5 Typische Einwirkungen 28 3 Theoretische Betrachtung 36 3.1 Berechnungsmodell für ebene Seiltragwerke 36 3.2 Seil unter Eigengewicht 39 3.3 Seil unter beliebiger vertikaler Belastung 54 3.4 Seil unter beliebiger Belastung in Seilebene 62 3.5 Seil unter reiner Zugbelastung 75 3.6 Biegesteifes Seil 75 3.7 Seil mit nichtlinearem Materialverhalten 77 4 Entwicklung eines Programms zur Berechnung ebener Seiltragwerke 79 4.1 Entwicklung des Programms 79 4.2 Plausibilitätskontrolle 86 5 Zusammenfassung und Ausblick 97 Anhang A: Auszug aus der Zulassung für eine 7-drähtige Spannstahllitze 101 Anhang B: Auszug aus der Zulassung für vorgefertigte Drahtseile 107 Anhang C: Produktdatenblatt Spiralseil 112 Anhang D: Programmcode „SEIL“ 113 Anhang E: Verzeichnis der verwendeten Variablen in Programm „SEIL“ 130 Anhang F: Berechnungsparameter RFEM 136 Anhang G: Übersicht Versuchsreihe zur Herleitung von Gl. 4.3 138 Literaturverzeichnis 141 Normenverzeichnis 144 Bildquellenverzeichnis 146 / The usage of cables for engineering often provides unparalleled lightweight, durable, and economically viable structural solutions. A prerequisite for that is a realistic static design of these cables. The objective of this thesis is the development of an 'open source' computer program for calculating internal forces in planar cable systems with two support points. To achieve this, general and design-relevant aspects for cables are initially presented. Subsequently, three calculation models, each designed for different types of loading, are theoretically derived. Each of these calculation models is demonstrated by a practical application example. Based on the theoretical derivations, a calculation program for planar cable structures is developed by using the software „MATLAB“. The plausibility of this program is verified by comparative calculations with the statics software „RFEM“ in the context of a parameter study. Within the plausibility check, deviations of mostly less than 5% can be reached. A few tests show larger deviations. The causes for these are identified and emended, or application limits are defined to ensure the safe usage of the program.:1 Einführung 10 1.1 Seile im Bauwesen 10 1.2 Zielsetzung 11 1.3 Literaturüberblick und aktueller Wissensstand 12 2 Allgemeine Ausführungen zum Seil 13 2.1 Materialien 13 2.2 Herstellung 14 2.3 Eigenschaften von Drahtseilen 16 2.4 Anwendungsgebiete 27 2.5 Typische Einwirkungen 28 3 Theoretische Betrachtung 36 3.1 Berechnungsmodell für ebene Seiltragwerke 36 3.2 Seil unter Eigengewicht 39 3.3 Seil unter beliebiger vertikaler Belastung 54 3.4 Seil unter beliebiger Belastung in Seilebene 62 3.5 Seil unter reiner Zugbelastung 75 3.6 Biegesteifes Seil 75 3.7 Seil mit nichtlinearem Materialverhalten 77 4 Entwicklung eines Programms zur Berechnung ebener Seiltragwerke 79 4.1 Entwicklung des Programms 79 4.2 Plausibilitätskontrolle 86 5 Zusammenfassung und Ausblick 97 Anhang A: Auszug aus der Zulassung für eine 7-drähtige Spannstahllitze 101 Anhang B: Auszug aus der Zulassung für vorgefertigte Drahtseile 107 Anhang C: Produktdatenblatt Spiralseil 112 Anhang D: Programmcode „SEIL“ 113 Anhang E: Verzeichnis der verwendeten Variablen in Programm „SEIL“ 130 Anhang F: Berechnungsparameter RFEM 136 Anhang G: Übersicht Versuchsreihe zur Herleitung von Gl. 4.3 138 Literaturverzeichnis 141 Normenverzeichnis 144 Bildquellenverzeichnis 146

Esta dissertação trata das metodologias de busca da forma (form finding) aplicadas a sistemas estruturais de cabos de aço retesados, destacando aquelas que foram amplamente utilizadas pelo arquiteto alemão Frei Otto: modelos físicos de correntes e molas e o método numérico das Densidades de Forças. O método de Relaxação Dinâmica, as soluções gráficas, modelos de correntes e pesos, assim como os de películas de sabão, também foram analisados de modo breve. O trabalho objetivou examinar as singularidades de tais metodologias de concepção estrutural. Tarefa que foi realizada, em primeiro lugar, por meio da revisão da literatura crítica acerca do emprego e do desenvolvimento das tecnologias de sistemas de cabos de aço retesados. Em seguida, partindo das obras examinadas, simulou-se quatro situações de projetos de estruturas retesadas, que foram executadas através da construção de modelos físicos e numéricos. As maquetes físicas foram construídas por meio de modelos de correntes e molas, e tiveram o intuito de fornecer dados de ordem qualitativa acerca do comportamento estrutural. As representações digitais, por sua vez, foram desenvolvidas com o método das Densidades de Forças, por intermédio do software Rhinoceros e do seu plug-in Grasshopper. Elas permitiram avaliar critérios quantitativos, como precisão, conformidade e eficiência. Por fim, os resultados obtidos através dos modelos físicos foram comparados aos experimentos digitais, com o intuito de analisar as especificidades de cada alternativa, buscando compreender as vantagens e limites de suas aplicações práticas. / This work presents two form finding methodologies applied to steel cable structures, physical model with springs and Force Density Method, both widely used by Frei Otto and his team. Other techniques are also studied; e.g. chains models, soap film models, graphic solutions and Dynamic Relaxation Method. Firstly, the historical developments of form-active structures were listed, together with a series of projects that became technical and conceptual milestones in the Brazilian and international scenario. Secondly, the process of manufacturing two form finding models is reported, one physical spring model and one numerical Force Density Method performed with computer-aided design (CAD) application Rhinoceros and its plug-in Grasshopper. Both models were carried out aiming to investigate their advantages and limits. Lastly, four experimental case studies were selected, based on projects studied in the first phase of this work. Diverse typologies and boundary conditions were chosen for comparative evaluation of the qualitative physical model and the numerical one. The appraisal of the modeling techniques\' efficiency and robustness levels was done through analysis of the differences between nodes\' coordinates and bars\' lengths obtained through each method.