CH703145B1 - Adaptives Element zur Sicherung von Stützkonstruktionen in statisch unbestimmten Tragsystemen. - Google Patents

Abstract

Zur Sicherung von Stützkonstruktionen in statisch unbestimmten Tragsystemen, zum Beispiel in einer Konstruktion aus drei Tragstäben 1–3 wie in Fig. 1a gezeigt, können adaptive Elemente (4) eingesetzt werden. Durch Kraftumlagerung auf Konstruktionen mit noch freier Kapazität kann dadurch entweder eine höhere Tragkraft, eine wirtschaftlichere Dimensionierung bei gleichbleibender Belastung oder ein robusteres Tragsystem erzielt werden. Diese adaptiven Elemente (4) kennzeichnen sich durch eine für das vorhandene statische System abgestimmte Kraft-Verformungs-Charakteristik aus. Dadurch ist es möglich, gezielt die Kraftzustände rein auf strukturmechanischer Ebene zu steuern oder zu regeln. Wie in der Fig. 1a gezeigt, kann so erreicht werden, dass der mittlere Stab 2 mit Hilfe des adaptiven Elements 4 in keinem Fall eine Beanspruchung über der zulässigen Tragkraft erfährt, aber trotzdem eine Laststeigerung im ganzen Tragsystem möglich ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Element zur Sicherung von Stützkonstruktionen in statisch unbestimmten Tragsystemen durch Kraftumlagerung auf Konstruktionen mit noch freier Kapazität. Solche adaptiven Elemente finden Verwendung in Bauwerken zum Zweck der Erhöhung deren Tragkraft, einer wirtschaftlicheren Dimensionierung der Tragkonstruktionen bei gleichbleibender Belastung oder zum Erreichen eines robusteren Tragsystems.

[0002] Stützkonstruktionen werden in Bauwerken in grosser Anzahl verbaut. Jede Stützkonstruktion ist durch ihre charakteristische elastische Tragkraft gekennzeichnet. Wird diese überschritten, so versagt die Stützkonstruktion je nach Materialcharakteristik von spröd bis duktil. Sie verliert jedoch in jedem Fall ihre ursprüngliche Tragkraft.

[0003] Stützkonstruktionen werden aus ingenieurtechnischer Sicht oft in einem statisch unbestimmten System verbaut. Wird nun eine mögliche Belastung auf dieses Gesamttragsystem aufgebracht, so kann es sein, dass eine einzelne Stützkonstruktion eine zu grosse Beanspruchung erfährt und dadurch versagt, während benachbarte Stützkonstruktionen noch freie Kapazität geboten hätten, die jedoch zur Unterstützung der einzelnen Stützkonstruktion nicht zum Tragen kommen konnten. Dieses Einzelversagen kann dann zum Versagen des Gesamttragsystems führen.

[0004] Bisher ist man dieser Problematik mit ausreichender Dimensionierung für alle möglichen Belastungen begegnet. Bei einer allfällig unerwarteten Überlast ist die Gefahr des Gesamtversagens aber immer noch nicht gebannt.

[0005] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Sicherung der Tragfähigkeit der Stützkonstruktion mittels Lastumlagerung auf benachbarte Stützkonstruktionen mit noch freier Kapazität anzugeben, unter Zugrundelegung einer beliebig vordefinierten Kraft-Verformungs-Charakteristik, damit im Bauwerk das gewünschte Kraftumlagerungsverhalten auftreten wird.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst von einem adaptiven Element zur Sicherung von Stützkonstruktionen in statisch unbestimmten Tragsystemen zum Ableiten von Kräften vor Erreichen deren Traggrenze, welches mindestens ein unter vordefinierter Lastgrenze kontrolliert, das heisst mit spezifizierter Kraft-Verformungs-Charakteristik deformierbares Strukturteil einschliesst. Die ausgewählten Stützkonstruktionen im Tragsystem werden mit solchen adaptiven Elementen ausgestattet. Die adaptiven Elemente können dabei mit der auf das Systemverhalten abgestimmten Kraft-Verformungs-Charakteristik die Kraftzustände eigenständig rein auf strukturmechanischer Ebene steuern oder regeln. Das Verhalten kann entweder vollständig oder nur teilweise reversibel ausfallen. Die Verwendung solcher adaptiven Elemente erfolgt dann für einen oder mehrere kombinierte Zwecke, nämlich: a) Erhöhung der Traglast des Systems, b) Erzielung einer wirtschaftlich günstigeren Dimensionierung der Konstruktion, c) Erreichen einer höheren Robustheit des Tragsystems.

[0007] In den Zeichnungen wird ein solches adaptives Element und seine Verwendung als Beispiel vorgestellt, und anhand dieser Zeichnungen wird dieses Element und seine Funktion in der nachfolgenden Beschreibung im Einzelnen erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1a:<sep>das statische System hier am Beispiel eines einfach statisch unbestimmten Fachwerkes mit adaptivem Element im zentralen Tragstab; <tb>Fig. 1b:<sep>das adaptive Element aus Fig. 1ain vergrösserter schematischer Darstellung, mit den dazugehörigen Koordinatenrichtungen; <tb>Fig. 1c:<sep>ein Beispiel der vorgegebenen Kraft-Verformungs-Beziehung des adaptiven Elements; <tb>Fig. 1d<sep>die Systemantwort des hier als Beispiel gewählten Fachwerks und des darin integrierten adaptiven Elements; <tb>Fig. 2a:<sep>die Ansicht eines adaptiven Elements, hier am Beispiel von Rohren als deformierbare Strukturteile; <tb>Fig. 2b<sep>das adaptive Element aus Fig. 2aim Grundriss; <tb>Fig. 3:<sep>effektive Kraft-Verformungs-Beziehung am Beispiel eines Flussstahlrohres als deformierbares Strukturteil.

[0008] In Fig. 1a ist ein mögliches statisches System gezeigt, in welchem das adaptive Element zur Anwendung kommen kann. Es zeigt ein einfach statisch unbestimmtes Fachwerk mit drei gedrungenen Stäben 1–3. Der mittlere Stab 2 verläuft lotrecht, während die äusseren Stäbe 1 und 3 oben zu einem Giebel zusammenlaufen. Am unteren mittleren Knoten befindet sich das adaptive Element 4. Das Fachwerk wird mit einer vertikalen Kraft F im oberen gemeinsamen Knoten belastet.

[0009] In Fig. 1b ist schematisch das adaptive Element 4 aus Fig. 1ain vergrösserter Darstellung gezeigt. Mit F ist die von oben wirkende Kraft bezeichnet, und mit w die Verformung, welche das adaptive Element durch die aufgebrachte Last F erfährt.

[0010] Fig. 1c zeigt das Verformungsverhalten des adaptiven Elementes unter der aufgebrachten Last F. Es weist eine eigens für jeden Anwendungsfall spezifizierte Kraft-Verformungs-Charakteristik auf. Für das in Fig. 1a gezeigte Beispiel einer Tragkonstruktion ist ein bilinearer Ansatz zu wählen. In der ersten Phase verhält sich das adaptive Element linear elastisch. Beim Erreichen einer vordefinierten Kraft Fmax schaltet die Vorrichtung in die zweite Phase, welche in diesem Fall als ideal plastisch deklariert werden kann. Diese vordefinierte Kraft Fmax entspricht am Beispiel in Fig. 1ader maximal zulässigen Kraft des mittleren Stabes, so dass dieser nach wie vor ein stabiles Verhalten aufweist. Das Gesamtverhalten aus der Vorrichtung und des mittleren Stabes 2 wird also dank des eingebauten adaptiven Elements reguliert, mit dem Ziel, dass der mittlere Stab 2 in keinem Fall eine höhere Beanspruchung erfährt, als dieser aufnehmen könnte.

[0011] In Fig. 1d wird für das in Fig. 1a gezeigte Beispiel die Systemantwort schematisch aufgezeigt. Es sind hier die einzelnen Stabkräfte gegenüber der vertikalen äusseren Belastung aufgetragen. Bei einer monotonen Laststeigerung verhält sich das Fachwerk bzw. die Tragkonstruktion linear elastisch. Beim Erreichen der maximal zulässigen Tragkraft im mittleren Stab 2 wird die im adaptiven Element vorher beschriebene zweite Phase (Punkte A in Fig. 1d) aktiviert oder eingeleitet. Die Laststeigerung kann nun bis zum Erreichen der maximal zulässigen Tragkräfte der übrigen Stäbe 1,3 fortgesetzt werden (Punkte B in Fig. 1d).

[0012] Die Fig. 2a zeigt die Ansicht eines beispielsweisen adaptiven Elements. In diesem Fall sind Rohre als deformierbare Strukturteile 5 zum Zuge gekommen, welche die gewünschte Charakteristik aufweisen. Diese Rohre sind hier Metallrohre, die zwischen einer Grundplatte 8 und einer Deckplatte 7 eingelegt sind, so dass sie zwischen diesen beiden Platten horizontal und nebeneinanderliegend verlaufen. Sie können in dieser Anordnung von Flacheisen 6 zusammengehalten werden. Die maximal zulässige Tragkraft ist durch die Abmessungen des Querschnitts sowie über die Gesamtlänge der Rohre sehr genau einstellbar.

[0013] Die Fig. 2b zeigt den Grundriss des Beispiels für dieses adaptive Element eine Vorrichtung, nach Demontage der Deckplatte 7. Man erkennt hier die vier nebeneinanderliegenden Rohre, welche die deformierbare Struktur 5 bilden.

[0014] Die Fig. 3 zeigt die Kraft-Verformungs-Beziehung aus einem Rohrpressversuch. Hierfür wurde ein nahtloses Flussstahlrohr St. 35.29 verwendet. Es besitzt einen Aussendurchmesser von 20 mm, einen Innendurchmesser von 18 mm sowie eine Länge von 100 mm. Es widerspiegelt die für das Beispiel geforderte bilineare Charakteristik in genügendem Sinne. In der erwähnten zweiten Phase kann eine Stauchung von mindestens 25 Prozent bei einer vernachlässigbaren Laststeigerung erreicht werden.

Ziffernverzeichnis

[0015] <tb>1<sep>schräger Stab links <tb>2<sep>lotrechter, zentraler Stab <tb>3<sep>schräger Stab rechts <tb>4<sep>adaptives Element <tb>5<sep>Rohre als Beispiel für ein adaptives Element <tb>6<sep>Flacheisen als horizontale Stabilisierung und Abstandhalterung <tb>7<sep>Deckplatte des adaptiven Elementes <tb>8<sep>Grundplatte des adaptiven Elementes

Claims (5)

1. Adaptives Element zur Sicherung von Stützkonstruktionen in statisch unbestimmten Tragsystemen zum Ableiten von Kräften vor Erreichen deren Traggrenze, welches mindestens ein unter vordefinierter Lastgrenze kontrolliert, das heisst mit spezifizierter Kraft-Verformungs-Charakteristik deformierbares Strukturteil (5) einschliesst.

2. Adaptives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine deformierbare Strukturteil (5) zwischen einer Grund- (8) und Deckplatte (7) eingeschlossen ist.

3. Adaptives Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine deformierbare Strukturteil (5) zwischen einer Grund- (8) und Deckplatte (7) eingeschlossen ist und aus einem liegend angeordneten Metallrohr besteht.

4. Adaptives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von mehreren deformierbaren Strukturteilen (5) diese aus mehreren, horizontal nebeneinanderliegend angeordneten Metallrohren bestehen.

5. Adaptives Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein reversibles oder teilweise reversibles Deformationsverhalten aufweist, gesteuert allein durch seine strukturmechanischen Eigenschaften.