**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Freitragende Bogenkonstruktion, gekennzeichnet durch einen länglichen, biegsamen Bauteil (A) oder mehrere solche in seitlichem Abstand voneinander angeordnete, längliche, biegsame Bauteile, die jeder aus einem im wesentlichen geraden, biegungsfreien, ursprünglichen Zustand in eine im wesentlichen parabolische Gestalt gebogen sind, Haltevorrichtungen (B), welche den Bauteil oder die Bauteile in der Nähe von deren Enden gegen Bewegung nach aussen und unten, und damit in der parabolischen Gestalt gebogen, gegen die Rückkehr in den biegungsfreien Zustand halten, und Verspannvorrichtungen (C), welche jeden Bauteil seitlich in einer konvexen erhöhten Stellung in einer im wesentlichen senkrechten Ebene halten, so dass er als ein Bogenträger zur Aufnahme gleichförmiger Lasten in direkter Druckbelastung wirkt.
2. Bogenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (A) eine Rohrlänge ist und die Verspannvorrichtung (C) einen Querträgerbogen (23) aufweist.
3. Bogenkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in Abständen voneinander längs der Bauteile (A) angeordneten und sich mit diesen kreuzenden Querträgerbögen (23) und durch Befestigungsvorrichtungen (22, 24) zum Verbinden der Bauteile (A) mit den Querträgerbögen (23) neben den Kreuzungspunkten, wobei die Bauteile (A) in senkrechten Ebenen verlaufen und ein Haupttragsystem bilden, das durch die Querträgerbögen (23) stabilisiert ist, die auch die Last zwischen den Bauteilen verteilen.
4. Verfahren zum Errichten einer freitragenden Bogenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) man einen länglichen, biegsamen Bauteil (A) anhebt, indem man in einem Mittelbereich zwischen seinen Enden eine Hubkraft ausübt; b) man den Bauteil (A) durch weiteres Anheben des Mittelbereiches bis auf eine vorbestimmte Höhe aufrichtet, während der Bauteil in der Nähe seiner Enden dauernd gestützt wird, so dass er eine im wesentlichen parabolische Gestalt annimmt; c) die Hubkraft zwischen und neben den Enden in dem Masse aufrecht erhalten wird, dass der Bauteil in der im wesentlichen parabolischen Gestalt gehalten wird, und dabei der Bauteil in der Nähe seiner Enden gegen Bewegung nach aussen gesichert wird;
d) die Hubkraft aufgehoben wird und e) der Bauteil (A) seitlich verspannt oder verstrebt wird, um ihn in einer erhöhten Stellung zu halten, so dass er als ein Bogenträger wirkt, der gleichförmige Lasten in direkter Druckbeanspruchung aufnimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) wiederholt werden, um eine Mehrzahl solcher Bogenträger in Querabständen voneinander und aufeinander ausgerichtet zu errichten und zu verspannen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Schrittes e) zum seitlichen Verspannen oder Verstreben des Bauteils ein im wesentlichen kreisbogenförmiger Träger quer zum Bauteil zwischen dessen Enden und diesen kreuzend angeordnet und am Bauteil neben dem Kreuzungsbereich befestigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Schrittes e) zum Verspannen und Verstreben der Bauteile eine Mehrzahl von im wesentlichen kreisbogenförmigen Trägern quer zu den Bauteilen in Abständen längs derselben und zwischen deren Enden so angeordnet wird, dass sich die Bauteile und kreisbogenförmigen Träger kreuzen, und dass die Bauteile mit den kreisbogenförmigen Trägern in der Nähe der Kreuzungspunkte verbunden werden, um eine Tragkonstruktion zu bilden, in der die Lasten zwischen Bogenträgern verteilt sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 zum Errichten einer tragenden Bogenkonstruktion für ein freigespanntes Dach, dadurch gekennzeichnet, dass man a) ein Hubelement an einem länglichen, biegsamen Rohrstück zwischen dessen Enden anbringt; b) durch das Hubelement eine Hubkraft auf einen Mittelabschnitt des Rohrstücks ausübt und dieses auf eine vorbestimmte Höhe anhebt, während das Rohrstück im Bereich seiner Enden abgestützt ist, so dass es eine im wesentlichen parabelförmige Gestalt annimmt; c) das Rohrstück in der Nähe seiner Enden gegen Bewegung nach aussen und nach den Seiten sichert; d) nacheinander die Schritte a) bis c) mit einer Mehrzahl solcher Rohrstücke wiederholt und e) die Rohrstücke seitlich verspannt oder verstrebt, um sie in erhöhter Stellung zu halten, so dass sie als Bogenträger wirken, die gleichförmige Lasten in direkter Druckbeanspruchung aufnehmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Schrittes e) eine Mehrzahl von im wesentlichen kreisbogenförmigen Trägern quer zu den Rohrstücken in Abständen längs derselben zwischen deren Enden angeordnet werden, so dass sie mit diesen Kreuzungspunkte bilden, und die Rohrstücke mit den kreisbogenförmigen Trägern in der Nähe der Kreuzungsbereiche verbunden werden, um eine Tragkonstruktion zu bilden, in der die Lasten zwischen den Bogenträgern verteilt sind, und dass die Tragkonstruktion mit Dachdeckmaterial abgedeckt wird.
In hohen Konstruktionen, wie Gebäude mit hohen Decken, entstehen bei Anwendung der üblichen starren Konstruktionen unvermeidbar übermässig hohe Kosten für die tragenden Bauteile. Zur Verringerung solcher Kosten sind Schalendachkonstruktionen vorgeschlagen worden, jedoch sind diese starr, wie beispielsweise die in der US-PS 3226 892 beschriebene Konstruktion. Ähnlich werden zum Überspannen von Zwischenräumen, beispielsweise für Brücken, starre Konstruktionen angewandt, ausser im Fall von Hängebrücken.
Starre Konstruktionen werden aufgrund der klassischen statischen Berechnung entworfen, welche lineares, elastisches Verhalten und kleine Verschiebungen bei der Formulierung mathematischer Gleichungen annehmen, um Spannungen und Verschiebungen zu bestimmen. Zur Errichtung auf einer Baustelle werden solche Konstruktionen und Bauteile oft wenigstens teilweise vorgefertigt. Die bisherigen Baukonstruktionen beruhen auf einer solchen verhältnismässigen Starrheit, welche einen statischen Zustand auch bei darauf wirkenden Belastungen beibehält. Da diese bekannten Konstruktionssysteme Biegekräften Widerstand entgegensetzen, müssen sie aus tragenden Bauteilen errichtet werden, welche verhältnismässig grossen Biegemomenten widerstehen können.
Es soll nun eine Konstruktion geschaffen werden, die durch die Möglichkeit grosser Ablenkungen gekennzeichnet ist und worin Lasten über das System in Zug- und Druckspannungen statt durch Biegespannungen verteilt und aufgenommen werden. Die bogenförmigen Bauteile werden errichtet, indem man im Mittelteil eines länglichen biegsamen Bauteils eine Hubkraft ausübt, während dessen Enden
auf den Boden oder Wänden abgestützt sind. Die Biegsam keit des Bauteils ist so gewählt, dass bei Anlegen der Hubkraft im Mittelteil desselben ohne fortdauernde Unterstützung der Enden der Bauteil infolge seines Eigengewichts einfach in sich zusammenklappen oder in anderer Weise sich dauerhaft verformen würde.
Nach Anheben des biegsamen Bauelements, während seine
Enden unterstützt sind, werden die Enden gegen weitere Bewegung gesichert, und es wird eine geeignete seitliche Verspannung oder Verstrebung angebracht.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine neuartige freitragende Bogenkonstruktion zu schaffen, die leicht zu errichten ist und ihre Biegsamkeit zur Verteilung der Lasten nutzt, um Lasten im wesentlichen unter Zug und Druck aufzunehmen, wodurch eine an der Baustelle einfach errichtbare, einfache und billige Konstruktion ermöglicht wird.
Die Erfindung bezweckt ferner ein Verfahren zum Errichten einer freitragenden Bogenkonstruktion, welches ohne Deckenschalung, Abstützung und dergleichen auskommt, wobei die Konstruktion vorübergehend abgestützt und in der endgültigen Gestalt aus geraden Bauteilen hergestellt wird. Vorzugsweise können die Bauteile Abschnitte oder Längen von Standardrohren mit gebogenem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt sein. Vorzugsweise haben die Bauteile eine geschlossene und symmetrische Form, so dass sie gegen Knicken torsionsfest sind.
Die gestellten Aufgaben werden gelöst durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete freitragende Bogenkonstruktion und das im Patentanspruch 4 gekennzeichnete Verfahren zum Errichten derselben.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf eine Konstruktion beschrieben, die als eine Tennisplatzabdeckung oder Halle verwendbar ist und als Hauptbogen system Aluminiumrohre mit kreisförmigem Querschnitt benutzt, jedoch können auch andere geeignete Materialien benutzt werden, und die Konstruktion selbst kann in einer Vielzahl von Gestalten ausgeführt werden, die für verschiedenartige Konstruktionen und Zwecke, auch für eine Brückenkonstruktion, geeignet sind.
Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufriss zur Erläuterung des Anhebens eines Rohrstücks mittels eines Krans gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren;
Fig. 2 einen schematischen Aufriss einer erfindungsgemäss errichteten Halle;
Fig. 3 einen vergrösserten Aufriss einer unteren Stütze für eine erfindungsgemässe Bogenkonstruktion;
Fig. 4 einen vergrösserten Aufriss zur näheren Erläuterung der Endstützvorrichtung der Bogenkonstruktion, wobei Teile weggelassen sind;
Fig. 5 einen Aufriss in Querrichtung, längs der Linie 5-5 der Fig. 2, wobei zur besseren Übersichtlichkeit Teile weggelassen sind;
;
Fig. 6 einen vergrösserten Aufriss in Querrichtung einer Vorrichtung, welche einen Hauptträger mit einem Verstrebungsträger der Halle verbindet, und
Fig. 7 einen vergrösserten Aufriss, der die Konstruktion der Halle sowie den Halter für die Querstreben der erfindungsgemässen Konstruktion zeigt.
Die Zeichnungen zeigen eine freigespannte Bogendachkonstruktion für eine Gebäudeabdeckung oder Halle mit einer Mehrzahl von quer in Abständen voneinander angeordneten länglichen biegsamen Bauteilen A. Jeder der gezeigten biegsamen Bauteile ist ein Rohrstück, das aus einer im wesentlichen geraden ursprünglichen Gestalt, wenn es nicht gebogen ist, in eine im wesentlichen parabelförmige Gestalt gebogen ist. Haltevorrichtungen B sind vorgesehen, um jeden der Bauteile in der Nähe seiner Enden gegen Bewegung nach aussen und unten und dadurch in der parabelförmigen Gestalt gebogen zu halten und gegen die Rückkehr in die ungebogene Gestalt zu sichern.
Verspann- und Verstrebungsvorrichtungen C sind in Form einer Mehrzahl von in Abständen längs des Bauteils angeordneten Querbogenträgern gezeigt, welche die Bauteile seitlich versteifen und in einer konvexen aufgerichteten Stellung in einer im wesentlichen senkrechten Ebene halten, so dass sie als Bogenträger zur Aufnahme von gleichförmigen Lasten in direktem Druck wirken.
Fig. 1 zeigt, wie das Rohr A in seinem Mittelteil durch einen Kranhaken aus der mit durchgehender Linie gezeichneten Stellung in die strichpunktiert gezeigte Stellung angehoben wird.
Fig. 2 zeigt eine Mehrzahl von quer in Abständen voneinander und in parallelen senkrechten Ebenen angeordneten Rohren A, die jeweils eine gebogene Stellung einnehmen und an ihren Enden an Beton-Widerlagern befestigt sind, welche zu den Haltevorrichtungen B gehören, welche jedes der Rohre in der Nähe seiner Enden halten. Fig. 3 zeigt ein Widerlager als ein bewehrtes Beton-Fundament, an dem ein Befestigungswinkel 11 durch den Bolzen 12 befestigt ist. Der Bauteil A ist am Befestigungswinkel durch einen Gelenkzapfen 13 befestigt. Ein in Fig. 4 gezeigtes weiteres Widerlager weist einen Pfosten 14 auf, der auf seiner Kopfseite Schienen 15 trägt, an denen ein Befestigungswinkel 16 gehalten ist. Der Bauteil A ist mit dem Befestigungswinkel durch einen Gelenkzapfen 17 verbunden.
Eine Randschiene 18 ist vorgesehen, an der eine geeignete gewellte Seitenwand 19 durch einen Wandabschluss 19a gehalten ist. Die Fig. 4 und 6 zeigen, dass geeignete gewellte Platten 20 mittels einer Abschlussleiste 21 gehalten und durch Schellen 22 getragen sind, welche querverlaufende kreisbogenförmige Bögen, welche hier die Form von Rohren 23 haben, verbinden. Die Schellen sind an dem als Rohr A gezeigten Element des Hauptbogenträgersystems durch Schraubbolzen 24 gehalten.
Die Dachplatten 20 können durchscheinende Kunststoffplatten sein, die an den kreisbogenförmigen Querbögen des sekundären Tragsystems in der in Fig. 6 gezeigten Weise gehalten sind.
Fig. 7 zeigt die Vorrichtungen zur Befestigung der kreisbogenförmigen Träger 23 des Sekundärträgersystems in Form von Befestigungswinkeln 25 und Gelenkzapfen 26. Die Befestigungswinkel 25 sind an Schienen 27 befestigt, die ihrerseits quer über die in Abständen voneinander angeordneten senkrechten Pfosten 28 verlaufen und von diesen getragen sind.
Wie Fig. 2 und 3 zeigen, sind die Pfosten 28 in die Erde eingelassen, so dass sie das auf ihnen lastende Gewicht tragen.
Fig. 2 zeigt durch die strichpunktierte Linie 30 eine Ablenkungskurve, die der Lage entspricht, die ein Bauteil A unter einer Windlast von 177 km/Std. einnehmen würde, die in Fig. 2 von links nach rechts bläst, wobei der links liegende Abschnitt des Bauteils A im wesentlichen unter Druck und der rechts liegende Teil im wesentlichen unter Zug steht. Die Last würde von den primären und sekundären Elementen der Konstruktion durch eine solche Ablenkung verteilt. Dagegen muss ein starrer Bogen, da er sich nicht wesentlich verformen kann, eine ungleiche Last unter Biegebeanspruchung aufnehmen. Die kreisbogenförmigen Querbogenträger C bilden das Verstrebungs- oder sekundäre Tragsystem und helfen, die Last zu verteilen. Es sei bemerkt, dass Türen 31 an jeder beliebigen Stelle vorgesehen werden können, und dass Jalousien 32 für Belüftungszwecke eingebaut werden können.
Es ist wichtig zu bemerken, dass sich ein Stahlrohr als Bauteil A vermutlich nicht verwenden liesse, da ein solches Rohr, wenn es eine Parabelgestalt, wie erwähnt, annehmen sollte, übermässige Beanspruchungen aufnehmen müsste, welche zu seiner permanenten Verformung führen würden. Es ist wesentlich, dass die Beanspruchungen, denen der Bauteil beim Anheben unterworfen ist, wie oben erwähnt, die zulässigen Beanspruchungen nicht übersteigen. Mit anderen Worten, es darf die Fliessgrenze nicht so weit überschritten werden, dass der Bauteil eine wesentliche Verhärtung oder dauernde Verformung erhält. Das in den Zeichnungen gezeigte Rohr ist durchgehend und von gleichmässigem Querschnitt, jedoch können Kupplungsmuffen in vernünftigen Abständen verwendet werden.
Es ist auch wichtig, dass der Bauteil so angehoben wird, dass seine Enden nicht vom Erdboden oder anderen Stützen abgehoben werden, wie in Fig. 1 gezeigt. Wenn die Hubkraft am Rohr oder Bauteil angreift, nimmt dieser eine im ganzen parabelförmige Gestalt an, wie in Fig. 1 strichpunktiert gezeigt, jedoch nicht die genaue Form, welche der Bauteil in seiner endgültigen Stellung annimmt, wenn die Hubkraft wegfällt und die Konstruktion sich in Ruhe befindet und ihrem Eigengewicht unterworfen ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Es sei bemerkt, dass an den Enden des Rohrs keine waagerechte Schubkraft auftritt, bis die beschriebene Parabelgestalt des Bogens erreicht ist und die Hubkraft wegfällt.
Die Eigenelastizität der beschriebenen gebogenen Bauteile übt nach Wegfall der Hubkraft eine nach aussen und unten gerichtete Kraft aus, da das gebogene Bauteil bestrebt ist, in die ungebogene Stellung zurückzukehren, da es nicht permanent verformt oder gehärtet wurde.
Im folgenden wird der Entwurf einer Konstruktion gemäss der Erfindung betrachtet.
Analyse einer grossen Durchbiegung von Aluminiumrohr.
Das Problem und seine Lösung können beispielsweise mit folgenden Überlegungen angegangen werden. Ein langes dünnes Rohr liegt ursprünglich auf dem Boden und wird an seinem Mittelpunkt bis zu einer vorbestimmten Höhe angehoben. Untersuchungen haben bestätigt, dass für die praktisch interessierenden Höhen des Mittelpunkts die Rohrenden in Berührung mit dem Boden bleiben. Wenn sich die Rohrenden in einem vorbestimmten Abstand voneinander befinden, werden die Enden an Gelenken befestigt, und die Hubkraft wird weggenommen. Das Rohr nimmt dann eine Kurvenform an, die etwa die einer Parabel ist.
Die vorgegebene Entwurfsinformation sind der endgültige Abstand zwischen den Enden des Rohrs und die endgültige senkrechte Höhe des Mittelpunkts des Rohrs. Das Ziel der Analyse ist: a) die notwendige Länge des Rohrs zu bestimmen, um die Entwurfsforderungen zu erfüllen, b) die Höhe zu bestimmen, bis zu der der Mittelpunkt des Rohrs angehoben werden muss, damit die Enden des Rohrs den vorbestimmten Abstand voneinander erreichen.
Die Analyse wird in zwei getrennte Stufen aufgeteilt.
Gegeben sei die endgültige Mittelpunkthöhe des Rohrs (y) und der endgültige Abstand zwischen den Endpunkten des Rohrs (2 x); gesucht ist die zur Erreichung dieser Vorgaben erforderliche Länge des Rohrs. Die endgültige gebogene Form des Rohrs, die Biegemomente, Spannungen und Reaktionskräfte ergeben sich, wenn die Länge des Rohrs bestimmt worden ist.
Annahmen: a) Ebene Schnitte bleiben eben; b) Axiale Verformungen können für dieses Problem vernachlässigt werden; c) Querdurchbiegungen sind sehr gross, die Theorie für kleine Durchbiegungen ist daher ungenügend.
Bemerkungen zur Analyse:
1) Infolge der Symmetrie braucht nur eine Hälfte der Konstruktion analysiert zu werden;
2) Der Ursprung der rechtwinkligen x-y-Koordinaten wird im Mittelpunkt des Rohrs gewählt;
3) Die Koordinate s, der längs der gebogenen Form des Rohrs vom Ursprung her gemessene Abstand, wird als unabhängige Koordinate benutzt.
Aus der Annahme a) folgt
M 9 = EI worin s = Krümmungsradius
M = Biegungsmoment
EI = Biegungssteifheit
Im allgemeinen
EMI3.1
Die folgende Gleichung wurde abgeleitet zur Verwendung in der Analyse durch Koordinatentransformation und Anwendung von Standardgleichungen der Statik:
EMI3.2
worin s = eine über die Länge des Rohrs gemessene Koordinate, H = waagerechte Komponente der Kompressionslast, W = Gewicht des Rohrs.
Diese Gleichung ist die grundliegende nicht lineare Differentialgleichung, welche die Verschiebung y mit der unabhängigen Koordinate s verbindet. Die Gleichung kann dann unter Verwendung üblicher numerischer Integrationsmethoden gelöst werden.
Beispielsweise sind in der gezeigten Tennishalle die vier Pfosten aufjeder Seite der Mittellinie in gleichen Abständen von 4,57 m angeordnet, und die Innenweite beträgt 18,28 m.
Die Höhe des Mittelbogens A beträgt 12,19 m in der Mitte, und der Kreisbogen C hat an diesem Punkt einen Radius von 12,19 m. Der Aussendurchmesser der Aluminiumrohre beträgt 88,9 mm, ihr Gewicht 4,361 kg/m, und ihre Querschnittsfläche 17,29 cm2. Der Quertragbogen C (Fig. 5) besteht aus Aluminiumrohr von 31,75 mm Durchmesser.
Es sei bemerkt, dass beim Anheben eines geraden Bauteils vom Boden auf eine vorbestimte Stellung, während die Enden geschützt sind, anschliessendes Festlegen oder Sichern der Enden und Beseitigen der Hubkraft der Bauteil eine Parabelform annimmt, die ihrer Struktur nach eine sehr wirksame geometrische Form ist, um Lasten aufzunehmen. Der Bogen ist wirksam, da gleichförmige Lasten in direkter Kompression getragen werden. Die Parabel ist eine bevorzugte Bogenkonstruktion, da ein solcher Bogen gleichförmige Lasten in direkter Kompression trägt, was ein kreisbogenförmiger Bogen nicht tut.
Ein unter Last stehender Bogen verändert seine Geometrie und ist kein starres System. Ein starrer Bogen, wie in einer Brücke, verändert seine Form nicht. Einige Elemente der gezeigten Konstruktion stehen unter bestimmten Lastbedingungen tatsächlich unter Zugspannung, was bei einem starren Bogen nicht der Fall ist. Die erfindungsgemässe Bogenkonstruktion nähert sich also einem Membran -Verhalten, in dem eine übermässige Biegung oder Kompression, die den Bogen knicken würde, durch die unter diesen Bedingungen eintretende Formveränderung des Bogens verhindert wird.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. cantilevered arch construction, characterized by an elongated, flexible component (A) or a plurality of such, laterally spaced, elongated, flexible components, each of which is bent from a substantially straight, non-bending, original state into a substantially parabolic shape, Holding devices (B), which hold the component or the components near their ends against movement outwards and downwards, and thus bent in the parabolic shape, against the return to the non-bending state, and tensioning devices (C), which hold each component hold laterally in a convex elevated position in a substantially vertical plane so that it acts as an arch support for receiving uniform loads in direct compression.
2. Arch structure according to claim 1, characterized in that the component (A) is a tube length and the bracing device (C) has a cross member arch (23).
3. Arch construction according to claim 1 or 2, characterized by a plurality of spaced apart along the components (A) and with these crossing crossbeams (23) and by fastening devices (22, 24) for connecting the components (A) with the Cross member arches (23) next to the crossing points, the components (A) running in vertical planes and forming a main support system, which is stabilized by the cross member arches (23), which also distribute the load between the components.
4. A method for erecting a cantilever arch structure according to one of claims 1 to 3, characterized in that a) one lifts an elongated, flexible component (A) by exerting a lifting force in a central region between its ends; b) the component (A) is raised up to a predetermined height by further raising the central region, while the component is continuously supported in the vicinity of its ends, so that it assumes an essentially parabolic shape; c) the lifting force between and next to the ends is maintained to the extent that the component is held in the substantially parabolic shape, and the component is secured near its ends against external movement;
d) the lifting force is lifted and e) the component (A) is laterally braced or braced in order to hold it in an elevated position so that it acts as an arch support which absorbs uniform loads under direct compressive stress.
5. The method according to claim 4, characterized in that steps a) to e) are repeated in order to erect and brace a plurality of such arch supports at transverse distances from one another and aligned with one another.
6. The method according to claim 4, characterized in that when carrying out step e) for laterally bracing or bracing the component, an essentially circular-shaped support is arranged transversely to the component between its ends and crossing it and is attached to the component next to the intersection area.
7. The method according to claim 5, characterized in that when carrying out step e) for bracing and bracing the components, a plurality of substantially circular-arc-shaped supports are arranged transversely to the components at intervals along the same and between their ends so that the Cross components and arcuate beams, and that the components are connected to the arcuate beams near the intersection points to form a support structure in which the loads are distributed between arch beams.
8. The method according to any one of claims 4 to 7 for erecting a supporting arch structure for a free-span roof, characterized in that a) a lifting element is attached to an elongated, flexible piece of pipe between the ends thereof; b) exerts a lifting force by the lifting element on a central section of the pipe section and raises it to a predetermined height, while the pipe section is supported in the region of its ends, so that it assumes a substantially parabolic shape; c) secures the pipe piece near its ends against movement outwards and to the sides; d) repeating steps a) to c) in succession with a plurality of such pipe sections and e) laterally bracing or bracing the pipe sections in order to hold them in an elevated position so that they act as arch supports which absorb uniform loads under direct pressure loading.
9. The method according to claim 8, characterized in that when carrying out step e) a plurality of substantially circular-arc-shaped supports are arranged transversely to the pipe sections at intervals along the same between their ends so that they form intersection points with these, and the pipe sections are connected to the arcuate beams near the intersection areas to form a support structure in which the loads are distributed between the arch supports and that the support structure is covered with roofing material.
In tall structures, such as buildings with high ceilings, the usual rigid structures inevitably result in excessive costs for the load-bearing components. Shell roof structures have been proposed to reduce such costs, but are rigid, such as the structure described in U.S. Patent 3,226,892. Similarly, rigid structures are used to span gaps, for example for bridges, except in the case of suspension bridges.
Rigid constructions are designed based on the classic static calculation, which assumes linear, elastic behavior and small shifts in the formulation of mathematical equations in order to determine tensions and shifts. Such structures and components are often at least partially prefabricated for erection on a construction site. The previous construction designs are based on such a relative rigidity, which maintains a static state even under loads acting on it. Since these known construction systems oppose bending forces, they must be constructed from load-bearing components which can withstand relatively large bending moments.
A construction is now to be created which is characterized by the possibility of large deflections and in which loads are distributed and absorbed via the system in tensile and compressive stresses instead of by bending stresses. The arcuate components are erected by exerting a lifting force in the middle part of an elongated flexible component during the ends thereof
are supported on the floor or walls. The flexibility of the component is chosen so that when the lifting force is applied in the middle part of the same without continuous support of the ends of the component, it would simply collapse due to its own weight or would otherwise permanently deform.
After lifting the flexible component while its
Ends are supported, the ends are secured against further movement and a suitable lateral bracing or bracing is attached.
The invention is therefore an object of the invention to provide a novel cantilevered arch structure that is easy to erect and uses its flexibility to distribute the loads to absorb loads essentially under tension and pressure, making it easy to set up on the construction site, simple and cheap Construction is made possible.
The invention also aims at a method for erecting a self-supporting arch structure which does not require slab formwork, support and the like, the structure being temporarily supported and being made in the final form from straight components. The components can preferably be sections or lengths of standard tubes with a curved, square or rectangular cross section. The components preferably have a closed and symmetrical shape, so that they are torsion-proof against buckling.
The objects are achieved by the self-supporting arch construction characterized in claim 1 and the method characterized in claim 4 for erecting the same.
A preferred embodiment of the invention will be described with reference to a construction which can be used as a tennis court cover or hall and which uses aluminum tubes of circular cross-section as the main arch system, but other suitable materials can also be used and the construction itself can be in a variety of shapes are carried out, which are suitable for different constructions and purposes, also for a bridge construction.
The invention is illustrated by the following description of an embodiment, which refers to the accompanying drawings. Show here:
Figure 1 is a schematic elevation for explaining the lifting of a pipe section by means of a crane according to the inventive method.
2 shows a schematic elevation of a hall constructed according to the invention;
3 shows an enlarged elevation of a lower support for an arch construction according to the invention;
FIG. 4 shows an enlarged elevation for a more detailed explanation of the end support device of the arch construction, parts being omitted; FIG.
Fig. 5 is an elevation in the transverse direction, along the line 5-5 of Figure 2, parts being omitted for clarity.
;
6 shows an enlarged elevation in the transverse direction of a device which connects a main beam to a bracing beam of the hall, and
Fig. 7 is an enlarged elevation showing the construction of the hall and the holder for the cross struts of the construction according to the invention.
The drawings show a cantilevered arch roof construction for a building cover or hall with a plurality of elongated flexible members A spaced apart from each other. Each of the flexible members shown is a piece of pipe that is of a substantially straight original shape when not bent in FIG a substantially parabolic shape is curved. Brackets B are provided to hold each of the components near their ends against outward and downward movement and thereby bent in the parabolic shape and to prevent them from returning to the unbent shape.
Bracing and bracing devices C are shown in the form of a plurality of transverse arch supports arranged at intervals along the component, which stiffen the components laterally and hold them in a convex, erect position in a substantially vertical plane, so that they act as arch supports for receiving uniform loads in direct pressure.
Fig. 1 shows how the tube A is raised in its central part by a crane hook from the position drawn with a solid line in the position shown in broken lines.
Fig. 2 shows a plurality of pipes A arranged transversely at a distance from one another and in parallel vertical planes, each of which assume a bent position and are attached at their ends to concrete abutments which belong to the holding devices B which hold each of the pipes in the pipe Hold near its ends. Fig. 3 shows an abutment as a reinforced concrete foundation, on which a mounting bracket 11 is attached by the bolt 12. The component A is attached to the mounting bracket by a hinge pin 13. A further abutment shown in FIG. 4 has a post 14 which carries rails 15 on its head side, on which a fastening bracket 16 is held. The component A is connected to the mounting bracket by a hinge pin 17.
An edge rail 18 is provided, on which a suitable corrugated side wall 19 is held by a wall termination 19a. 4 and 6 show that suitable corrugated plates 20 are held by means of an end strip 21 and are supported by clamps 22, which connect transverse circular arches, which here have the shape of tubes 23. The clamps are held on the element of the main arch support system shown as tube A by screw bolts 24.
The roof panels 20 can be translucent plastic panels, which are held on the circular arc-shaped transverse arches of the secondary support system in the manner shown in FIG. 6.
7 shows the devices for fastening the circular-arched supports 23 of the secondary support system in the form of mounting brackets 25 and pivot pins 26. The mounting brackets 25 are fastened to rails 27 which in turn run across and are supported by the vertical posts 28 which are arranged at intervals from one another .
As shown in FIGS. 2 and 3, the posts 28 are embedded in the ground so that they bear the weight on them.
Fig. 2 shows by the dash-dotted line 30 a deflection curve, which corresponds to the position that a component A under a wind load of 177 km / h. 2, which blows from left to right in FIG. 2, the left-hand section of component A being essentially under pressure and the right-hand part being essentially under tension. The load would be distributed from the primary and secondary elements of the construction by such a distraction. On the other hand, since a rigid arch cannot deform significantly, it has to bear an uneven load under bending stress. The arcuate crossbeams C form the strut or secondary support system and help to distribute the load. It should be noted that doors 31 can be provided anywhere, and blinds 32 can be installed for ventilation purposes.
It is important to note that a steel pipe could probably not be used as component A, since such a pipe, if it were to assume a parabolic shape, as mentioned, would have to absorb excessive stresses, which would lead to its permanent deformation. It is essential that the stresses to which the component is subjected during lifting, as mentioned above, do not exceed the permissible stresses. In other words, the yield point must not be exceeded to such an extent that the component receives substantial hardening or permanent deformation. The pipe shown in the drawings is continuous and of uniform cross-section, however coupling sleeves can be used at reasonable intervals.
It is also important that the component be raised so that its ends do not lift off the ground or other supports, as shown in FIG. 1. When the lifting force acts on the pipe or component, it takes on an overall parabolic shape, as shown in broken lines in FIG. 1, but not the exact shape which the component takes on in its final position when the lifting force ceases and the construction becomes inherent Rest and is subject to its own weight, as shown in Fig. 2. It should be noted that there is no horizontal thrust at the ends of the tube until the described parabolic shape of the arc is reached and the lifting force is eliminated.
The inherent elasticity of the bent components described exerts an outward and downward force after the lifting force ceases, since the bent component tends to return to the unbent position, since it has not been permanently deformed or hardened.
In the following the design of a construction according to the invention is considered.
Analysis of a large deflection of aluminum pipe.
The problem and its solution can be addressed, for example, with the following considerations. A long thin tube originally lies on the floor and is raised to a predetermined height at its center. Studies have confirmed that the tube ends remain in contact with the ground for the practically interesting heights of the center. When the pipe ends are a predetermined distance apart, the ends are attached to joints and the lifting force is removed. The tube then takes on a curve shape that is approximately that of a parabola.
The default design information is the final distance between the ends of the pipe and the final vertical height of the center of the pipe. The aim of the analysis is: a) to determine the length of the pipe necessary to meet the design requirements, b) to determine the height to which the center of the pipe must be raised so that the ends of the pipe reach the predetermined distance from each other .
The analysis is divided into two separate stages.
Given the final midpoint height of the pipe (y) and the final distance between the end points of the pipe (2 x); the length of the pipe required to achieve these specifications is sought. The final bent shape of the tube, the bending moments, stresses and reaction forces result when the length of the tube has been determined.
Assumptions: a) Flat cuts remain flat; b) Axial deformations can be neglected for this problem; c) Cross deflections are very large, the theory for small deflections is therefore insufficient.
Comments on the analysis:
1) Due to the symmetry, only half of the construction needs to be analyzed;
2) The origin of the right-angled x-y coordinates is chosen at the center of the tube;
3) The coordinate s, the distance measured along the curved shape of the tube from the origin, is used as an independent coordinate.
From the assumption a) follows
M 9 = EI where s = radius of curvature
M = bending moment
EI = bending stiffness
In general
EMI3.1
The following equation was derived for use in coordinate transformation analysis and application of standard statics equations:
EMI3.2
where s = a coordinate measured over the length of the pipe, H = horizontal component of the compression load, W = weight of the pipe.
This equation is the basic non-linear differential equation that connects the displacement y with the independent coordinate s. The equation can then be solved using standard numerical integration methods.
For example, in the tennis hall shown, the four posts on each side of the center line are equally spaced 4.57 m apart and the inside width is 18.28 m.
The height of the central arc A is 12.19 m in the middle, and the circular arc C has a radius of 12.19 m at this point. The outer diameter of the aluminum pipes is 88.9 mm, their weight is 4.361 kg / m, and their cross-sectional area is 17.29 cm2. The crossbeam C (Fig. 5) consists of aluminum tube with a diameter of 31.75 mm.
It should be noted that when a straight component is lifted from the floor to a predetermined position while the ends are protected, then fixing or securing the ends and removing the lifting force of the component takes on a parabolic shape which is structurally a very effective geometric shape, to take loads. The arch is effective because uniform loads are carried in direct compression. The parabola is a preferred arch construction, since such an arch carries uniform loads in direct compression, which an arc-shaped arch does not.
An arch under load changes its geometry and is not a rigid system. A rigid arch, like a bridge, does not change its shape. Some elements of the construction shown are actually under tension under certain load conditions, which is not the case with a rigid bend. The arch construction according to the invention thus approaches a membrane behavior in which excessive bending or compression, which would kink the arch, is prevented by the shape change of the arch which occurs under these conditions.