Wind Loading on Tensile Surface Structures – Experimental Approach

Jimmy Colliers
Veiligheid van tentzeilconstructies op festivals !?Nood aan Europese norm inzake windbelasting voor tijdelijke constructies.Waarom sneuvelen festivaltenten onder windbelasting? Hoe zit het met de veiligheid van deze constructies? Vragen die menig festivalganger of ouder zich ongetwijfeld stelt. Aanleiding tot deze bezorgdheid zijn de recente gebeurtenissen op Pukkelpop edities 2011 en 2014. Het blijft echter niet bij deze twee gevallen.

Wind Loading on Tensile Surface Structures – Experimental Approach

Veiligheid van tentzeilconstructies op festivals !?

Nood aan Europese norm inzake windbelasting voor tijdelijke constructies.

Waarom sneuvelen festivaltenten onder windbelasting? Hoe zit het met de veiligheid van deze constructies? Vragen die menig festivalganger of ouder zich ongetwijfeld stelt. Aanleiding tot deze bezorgdheid zijn de recente gebeurtenissen op Pukkelpop edities 2011 en 2014. Het blijft echter niet bij deze twee gevallen. Wereldwijd zijn er reeds verschillende ongelukken met tentzeilconstructies geregistreerd.

Door de recente opmars in het gebruik van tentzeilconstructies is er een achterstand op het vlak van expertise. Vooral op het gebied van windanalyse is er nood aan het accuraat modelleren van windbelastingen. De windbelasting op dergelijke membraanstructuren is een complex probleem. Vergeleken met conventionele gebouwtypes zijn deze structuren uiterst gevoelig voor wind als gevolg van de lage verhouding van het eigengewicht t.o.v. de belasting. De huidige normen inzake windbelasting geven bovengrenzen aan voor de conventionele constructies, maar de onzekerheid neemt toe wanneer de gebouwconfiguratie hiervan afwijkt. Bovendien worden membraanstructuren aangewend in een grote verscheidenheid aan vormen, afmetingen en verhoudingen, waardoor de structurele ingenieurs genoodzaakt zijn om vereenvoudigende veronderstellingen en benaderingen door te voeren tijdens de berekening onder windbelasting. Deze aannames leiden onlosmakelijk tot over- of onderdimensionering van de structuren. Overdimensionering heeft vooral impact op het economische aspect. De ingenieur van vandaag moet streven naar duurzaamheid en een optimaal gebruik van materialen door het beperken van een overmatige consumptie van grondstoffen. Onderdimensionering anderzijds brengt de veiligheid en het normale gebruik van de structuren in gevaar. Het gebrek aan kennis over deze relatief jonge constructies heeft wereldwijd reeds geleid tot een aantal incidenten. De afgelopen jaren hebben verschillende membraanstructuren het begeven onder de optredende windbelasting, met economisch en menselijk leed tot gevolg. De meest voorkomende oorzaken voor dit structurele falen kunnen ondergebracht worden in vier categorieën: falen van de membranen door scheuren, falen van de draagstructuur door het buigen van de steunen of het breken van de kabels, falen van de verbindingen tussen membraan en draagstructuur of falen van de funderingen met oplift van de gehele structuur. Merk op dat in de bepaalde gevallen het falen van één enkel element de instorting van de gehele structuur kan veroorzaken. De globale stabiliteit is immers afhankelijk van de interactie tussen alle samenstellende elementen. Tevens kunnen ook niet-destructieve problemen optreden die het gebruik en comfort van de structuren in het gedrang brengen.

GEBREK AAN ACCURATE WINDBELASTINGEN OP DUBBELGEKROMDE OPPERVLAKKEN

De huidige Europese norm inzake windbelasting voor gebouwen (EN 1991-1-4) illustreert drukcoëfficiëntverdelingen voor enkele basisvormen opgebouwd uit vlakke facetten. Aangezien de heersende normen zelfs de meest eenvoudige dubbelgekromde oppervlakken niet beschouwt, wordt de windberekening voor membraanstructuren vaak gebaseerd op benaderingen. Om de veiligheid van de dubbelgekromde tentzeilconstructies onder windbelasting in dezelfde mate te kunnen garanderen als voor de conventionele gebouwtypologieën is een meer precieze windanalyse noodzakelijk. Voor de 'typische' membraangeometrieën (hyperbolische paraboloïden, conische vormen, vormen ondersteund door bogen en golfvormen) zouden drukcoëfficiëntenverdelingen moeten opgemeten en gevalideerd worden. Deze informatie kan de constructeurs alvast toelaten een accuratere windberekening uit te voeren voor de meest voorkomende typologieën. Voor stadia, stations en andere grote constructies blijft het wel noodzakelijk windtunneltesten te doen.

FUNDAMENTEEL ONDERZOEK NAAR DE WINDBELASTING OP NIEUWE MEMBRAANTYPOLOGIEËN

Er is nog veel onderzoek noodzakelijk omtrent windbelastingen op membraanstructuren: gaande van algemene drukcoëfficiëntverdelingen voor de typische membraanvormen, over de verificatie van lokale effecten, tot de complexe analyse van de dynamische respons van deze flexibele constructies. In dit kader geeft de masterproef ‘Wind Loading on Tensile Surface Structures ­– Experimental Approach’ een eerste aanzet tot het bekomen van experimentele windtunneldata voor membraanstructuren, en specifiek voor de windbelasting op hyperbolische paraboloïdedaken en -afdaken. Uit het onderzoek is gebleken dat de windbelasting op membraanstructuren niet eenduidig te vatten is. Zeer kleine variaties in parameters als oriëntatie, hoogte, kromming en detaillering van de membraanrand hebben een aanzienlijke weerslag op de verdeling van de winddruk op de desbetreffende structuur. Tevens dient men rekening te houden met de verschillende toestanden waarin de tenten zich zullen bevinden: open, gesloten, of een tussenopstelling. Elk van de toestanden is immers geassocieerd met een specifieke windstroming rond en bijhorende windbelasting op de structuur. De onderzoeksresultaten hebben aangetoond dat het windontwerp van tentzeilconstructies een nodige, maar ook een zeer delicate materie is. De ontwerper dient vanaf de eerste schets rekening te houden met alle factoren en mogelijke variaties, zeker in het geval van festivaltenten waar de locatie, de oriëntatie en de toestand van de tenten steeds wijzigt. Het is van groot belang in de windberekening al de mogelijke toestanden te beschouwen om de veiligheid te garanderen in elke configuratie.

De behoefte aan nauwkeurige windbelastingsnormen voor tentzeilconstructies werd reeds in verschillende internationale publicaties benadrukt: enerzijds is er de ontoereikendheid van de huidige normen, en anderzijds is er voor de groeiende sector van zowel tijdelijke als creatieve membraanarchitecturen de noodzaak om over correcte winddrukcoëfficiëntverdelingen te beschikken. Het onderzoek naar windbelastingen op de eenvoudige basisvormen vormt een belangrijke startpunt voor een meer algemene Eurocode inzake het ontwerpen van membraanstructuren. Dit onderzoek kan gevoerd worden op basis van verschaalde windtunneltesten, testen op werkelijke grootte in buitensituaties of op basis van numerieke simulaties. De experimenteel verkregen drukcoëfficiëntverdelingen kunnen vervolgens gebruikt worden voor de berekening van windbelastingen op vergelijkbare constructies.

Bibliografie

Alcaniglia. (2010). Rock me like a Hurricane part II. Retrieved June 3, 2014 from http://alcaniglia.blogspot.be/2010_10_01_archive.html

Autodesk. (2014). http://www.autodesk.nl/products/autodesk-inventor-family/. Retrieved May 13, 2014

Baglin, P. (2002). ARIES canopy wind tunnel test results. tensARC ltd., Munich.

Balz, M., & Fildhuth, T., Schlaich Bergermann and Partners. (2004). Wind Loading on Stadia Roof Structures. In M. Mollaert, J. Haase, J. Chilton, E. Moncieff, M. Dencher, & M. Barnes (Ed.), TensiNet Symposium 2003 – Designing Tensile Architecture (pp. 140-149). Brussels: VUB.

BBC News Northern Ireland. (2011). Northern Ireland still being hit by Hurricane Katia. Retrieved June 3, 2014 from http://www.bbc.co.uk/news/uk-northern-ireland-14879075

Belgian Building Research Institute. (2013). http://www.bbri.be/antenne_norm/eurocodes/. Retrieved March 8, 2014

Belgisch instituut voor normalisatie. (2002). Eurocode 0: Basis of Structural Design. NBN EN 1990: 2002. Brussels: BIN.

Belgisch instituut voor normalisatie. (2005). Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General Actions - Wind actions. NBN EN 1991-1-4: 2005. Brussels: BIN.

Burton, J., & Gosling, P. (2003). Wind Tunnel Pressure Measurements on Conic Shaped Membrane Roof Arrangements. International conference on textile composites and inflatable structures - structural membranes (pp. 427-432). Barcelona: CIMNE.

BZT. (2014). http://www.bzt-cnc.de/. Retrieved May 13, 2014

Carradine, D. M. (1998). Experiments on the Response of Arch-Supported Membrane Shelters to Snow and Wind Loading. Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg.

Cook, M. J. (1981). Wind Tunnel Tests for a Large Surface Stressed Structure in Kuweit. Buro Happold Engineers Ltd.

Counihan, J. (1975). Adiabatic Atmospheric Boundary Layers: A Review and Analysis of Data from the Period 1880-1972. Atmospheric Environment , 9, 871-905.

Deskproto. (2014). http://www.deskproto.com/. Retrieved May 13, 2014

Dirnberger, J. M., Kennesaw State University. (2008). Biological Oceanography Lecture: Basic Physical Processes of the Water Column. Retrieved May 2, 2014 from http://science.kennesaw.edu/~jdirnber/BioOceanography/Lectures/LecPhysi…

Dyrbye, C., & Hansen, S. O. (1997). Wind Loads on Structures. Chichester: Wiley.

Elnokaly, A., Chilton, J., & Wilson, R. (2004). CFD investigation of airflow around conic tensile membrane structures [printed extended abstract; conference paper on CD-ROM]. International Sympsoium on Shell and Spatial Structures from Model to Realization (pp. 138-139). Montpellier: IASS.

Fabritec Structures. (2014). http://www.fabritecstructures.com/. Retrieved June 3, 2014

Fabritecture. (2014). http://www.fabritecture.com/. Retrieved June 3, 2014

Forster, B., & Mollaert, M. (2004). European Design Guide for Tensile Surface Structures. TensiNet. Brussels: VUB.

Frech, J., The StarPhoenix. (2014). Extreme wind in Saskatchewan. Retrieved June 3, 2104 from http://live.thestarphoenix.com/Event/Extreme_wind_in_Saskatchewan

Geurts, C., & van Bentum, C. (2007). Wind Loading on Buildings: Eurocode and Experimental Approach. In T. Stathopoulos, & C. C. Baniotopoulos (Eds.), International Centre for Mechanical Sciences - Wind Effects on Buildings and Design of Wind-Sensitive Structures (Vol. 493, pp. 31-65). Montreal: CISM.

Gill, T., Fayetteville Flyer. (2012). Strong winds cause damage at Arkansas Music Pavilion. Retrieved June 3, 2014 from http://www.fayettevilleflyer.com/2012/07/08/strong-winds-damage-at-arka…

Gorlin, W. B. (2009). Wind Loads for Temporary Structures: Making the Case for Industrywide Standards. Journal of Architectural Engineering , 15 (2), 35-36.

Gorlin, W. B. (2009). Temporary Structures Need Wind-Load Standards. Structure Magazine , January, pp. 23-25.

Gosling, P., & Zhang, L. (2010). A non-safety factor approach to the design of membrane structures. In M. Mollaert, & H. Bögner-Balz (Ed.), TensiNet Symposium 2010 - Textile Architecture: Connecting Past and Future (pp. 13-22). Sofia: Sofin.

Hart, R., Birchall, M., Fisher, A., & Williams, C. (2010). SMART Particles: Dynamic Wind-Structure Interaction Analysis for Tensile Structures. In H. Bögner-Balz, & M. Mollaert (Ed.), TensiNet Symposium 2010 - Tensile Architecture: Connecting Past and Future (pp. 69-77). Sofia: Sofin.

Hasler, J. P., Popular Mechanics. (2010). What went wrong: How the Dellas Cowboy's Field House Collapsed. Retrieved June 3, 2014 from http://www.popularmechanics.com/outdoors/sports/football/how-the-dallas…

Hasler, J. P., Popular Mechanics. (2011). Why Are So Many Outdoor Concert Stages Collapsing? Retrieved June 3, 2014 from http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/why-are-so-many-…

Heslop, A. (2002). Developing a fuller understanding of wind Loads on Membrane Structures. In M. Mollaert, S. Hebbelinck, & J. Haase (Ed.), VUB Symposium 2000 - The Design of membrane and lightweight structures (pp. 227-235). Brussels: VUB.

Heslop, A., Architen Landrell. (2004). Conical structure wind tunnel test data, Landrell Architecten. In B. Forster, & M. Mollaert (Eds.), European Design Guide for Tensile Surface Structures. Brussels: VUB.

Heslop, A., Architen Landrell. (2010). Basic Theories of Tensile Membrane Architecture. Retrieved May 13, 2014 from http://www.architen.com/articles/basic-theories-of-tensile-membrane-arc….

Iyengar, A. K., & Farell, C. (2001). Experimental issues in atmospheric boundary layer simulations: roughness length and integral scale determination. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 89, 1059-1080.

Jacoby, M. (1988). Pressure coefficients for basic tensioned-membrane structure forms. Naval Civil Engineering Laboratory. Port Heuneme: NTIS GRA&I.

Joint Research Centre. (2014). http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu/. Retrieved March 8, 2014

Kiel, N., Webjournaal. (2012). Tent komt effe aanwaaien…. Retrieved June 3, 2014 from http://nankokiel.wordpress.com/2012/08/31/tent-komt-effe-aanwaaien/

Locke. (1828). The First Book of Ovid's Metamorphoses with a Literal Interlinear Translation, and Illustrative Notes. London: Littlewood & Co., Old Bailey.

Lutgens, F. K., & Tarbuck, J. E. (2001). The Atmosphere (8th edition). Upper Saddle River: Prentice Hall.

Ma, J., Zhou, D., Li, H., Zhu, Z., & Dong, S. (2006). Numerical simulation and visualization of wind field and wind load on space structure. International Symposium on New Olympic, New Shell and Spatial Structures (pp. 344-345). Bejing: IASS.

McKinley, J. C. JR., The New York Times. (2012). Stage Collapses Before Toronto Radiohead Concert. Retrieved June 3, 2014 from http://artsbeat.blogs.nytimes.com/2012/06/16/stage-collapses-before-tor…

Maes, M., Nieuwsblad. (2013). Loodzware tenten Boatshow maken geen kans tegen storm. Retrieved June 3, 2014 from http://www.nieuwsblad.be/article/detail.aspx?articleid=DMF20131028_0081…

Malinowsky, M., Club de la Structure Textile. (2004). Conical structure wind tunnel test data. In B. Forster, & M. Mollaert (Eds.), European Design Guide for Tensile Surface Structures. Brussels: VUB.

Michalski, A., Kermel, P. D., Haug, E., Löhner, R., Wüchner, R., & Bletzinger, K.-U. (2011). Validation of the computational fluid-structure interaction simulation at real-scale tests of a flexible 29 m umbrella in natural wind flow. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 99, 400-413.

Monjó-Carrió, J. (2007). Common Tensile Roof Pathology and Basic Preventive Actions. In A. Zanelli, H. Bögner-Balz, & L. Rutter (Eds.), TensiNet Symposium 2007 - Ephemeral Architecture Time and Textiles (pp. 249-260). Milano: Libreria CLUP.

Nagai, Y., Okada, A., Miyasato, N., & Saitoh, M. (2011). Wind Tunnel Tests on the Horn-Shaped Membrane Roof. In J. C. Lerner (Ed.), Wind Tunnels and Experimental Fluid Dynamics Research (pp. 325-348). Shanghai: InTech.

Nagai, Y., Okada, A., Miyasato, N., & Saitoh, M. (2012). Wind Response of Horn-Shaped Membrane Roof and Proposal of Gust Factor for Membrane Structures. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures , 53 (3), 169-176.

Otto, F. (1954). Das hängende Dach. Dissertation, Technische Universität Berlin, Berlin.

Otto, F. (1969). Tensile Structures: Cables, Nets and Membranes (Vol. 2). Cambridge: MIT Press.

Plastics Warringah. (2013). Vacuum Forming. Retrieved April 10, 2014 from http://warringah-plastics.com.au/root-wplastics/wp-content/uploads/2011…

Rank, E., Halfmann, A., Scholz, D., Glück, M., Breuer, M., Durst, F., et al. (2005). Wind loads on lightweight structures: Numerical simulation and wind tunnel tests. GAMM-Mitteilungen , 28 (1), 73-89.

Redactie Editie - Timothy. (2009). Storm velt tenten DRC. Retrieved June 3, 2014 from http://www.editiedendermonde.be/2009/05/26/storm-velt-tenten-drc/

Rhinoceros. (2014). http://www.rhino3d.com/. Retrieved May 13, 2014

Rizzo, F., D'Asdia, P., Lazzari, M., & Procino, L. (2011). Wind action evaluation on tension roofs of hyperbolic paraboloid shape. Engineering Structures , 33, 445-461.

Rizzo, F., D'Asdia, P., Ricardelli, F., & Bartoli, G. (2012). Characterisation of pressure coefficients on hyperbolic paraboloid roofs. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , 102, 61-71.

Rock News Desk. (2011). 5 dead in new stage collapse. Retrieved June 3, 2014 from http://rocknewsdesk.com/world-news/5-dead-in-new-stage-collapse/3138/

Scanivalve. (2014). http://www.scanivalve.com/. Retrieved May 17, 2014

Schamper, Universiteit Gent. (2011). Pukkelpop 2011: Tent aan Boiler Room. Retrieved June 3, 2014 from http://www.schamper.ugent.be/afbeelding/pukkelpop-2011-tent-aan-boiler-…

Silas, J., The Wall Street Journal. (2011). Scenes From the Stage Colapse. Retrieved June 3, 2014 from http://online.wsj.com/news/articles/SB100014240531119033929045765088138…

SMILE Winter activety Satelite Winds. (2007). The Beaufort Scale of Wind Velocity. Retrieved May 2, 2014 from http://www.docstoc.com/docs/82804867/The-Beaufort-Scale

Stathopoulos, T. (2007). Introduction to Wind Engineering, Wind Structure, Wind-Building Interaction. In T. Stathopoulos, & C. C. Baniotopoulos (Eds.), International Centre for Mechanical Sciences - Wind Effects on Buildings and Design of Wind-Sensitive Structures (Vol. 493, pp. 1-30). Montreal.

Stratasys. (2014). http://www.stratasys.com/. Retrieved April 10, 2014

Sun, X. Y., Chen, Z. Q., Wu, Y., & Shen, S. Z. (2012). Numerical studies on the behaviors of wind-structure interaction for membrane structures. 7th International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications (pp. 234-243). Shanghai: BBAA.

Sunrise Packing. (2013). Upcoming Trends in Thermoforming. Retrieved April 10, 2014 from http://www.sunrisethermoforming.com/upcoming-trends-in-thermoforming/

Technische Universität München, Institute of Aerodynamics and Fluid Mechanics. (2014). Aerodynamics of Buildings. Retrieved April 10, 2014 from http://www.aer.mw.tum.de/en/research-groups/aerodynamics-of-buildings/

TensiNet. (2012). Wind Loading WG5 - Draft Version. TensiNet.

TensiNet. (2014). http://www.tensinet.com/. Retrieved February 21, 2014

  1.  
Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Architectural Engineering
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: