CH703145B1

CH703145B1 - Adaptive element for protecting support structures in statically indeterminate structural systems, is designed to control structural component under predefined load limit

Info

Publication number: CH703145B1
Application number: CH9332008A
Authority: CH
Inventors: Simon Zweidler
Original assignee: Simon Zweidler
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2011-11-30

Abstract

The adaptive element (4) is designed to control a structural component under a predefined load limit. The deformable structural component has specific force-deformation characteristics. The deformable structural component is enclosed between a base and a cover plate, and has a horizontally arranged metal pipe.

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. The present invention relates to an adaptive element for securing support structures in static unspecified support systems by force transfer to constructions with free capacity. Such adaptive elements are used in buildings for the purpose of increasing their load capacity, a more economical dimensioning of the supporting structures under constant load or to achieve a more robust support system.

[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. Support structures are installed in buildings in large numbers. Each support structure is characterized by its characteristic elastic load capacity. If this is exceeded, the support construction fails, depending on the material characteristics, from brittle to ductile. However, it loses its original capacity in any case.

[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. Support structures are often installed from an engineering point of view in a statically indeterminate system. Now, if a possible load applied to this overall support system, it may be that a single support structure undergoes too much stress and thus failed, while adjacent support structures would have offered free capacity, but which could not come to support the individual support structure to fruition. This single failure can then lead to failure of the overall support system.

[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. So far, this problem has been met with sufficient dimensioning for all possible loads. In the event of an unexpected overload, however, the danger of total failure is still not averted.

[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. It is therefore an object of the present invention to provide a device for securing the bearing capacity of the support structure by load transfer to adjacent support structures with still free capacity, on the basis of any predefined force-deformation characteristics, so that the desired force transfer behavior will occur in the building ,

[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. This object is achieved by an adaptive element for securing support structures in statically indeterminate support systems for deriving forces before reaching their support limit, which controls at least one predefined load limit, that is with deformable force-deformation characteristic deformable structural part includes. The selected support structures in the support system are equipped with such adaptive elements. The adaptive elements can control or regulate the force states independently purely on a structural mechanic level with the force-deformation characteristic adapted to the system behavior. The behavior can be either complete or only partially reversible. The use of such adaptive elements then takes place for one or more combined purposes, namely: a) increasing the load of the system, b) achieving a more economically favorable dimensioning of the construction, c) achieving a higher robustness of the support system.

[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.In the drawings, such an adaptive element and its use is presented as an example, and with reference to these drawings, this element and its function will be explained in detail in the following description. It shows: <Tb> FIG. 1a: <sep> the static system here using the example of a simple statically indeterminate framework with adaptive element in the central support bar; <Tb> FIG. 1b: <sep> the adaptive element from FIG. 1 a in an enlarged schematic representation, with the associated coordinate directions; <Tb> FIG. 1c: <sep> an example of the predetermined force-deformation relationship of the adaptive element; <Tb> FIG. 1d <sep> the system response of the framework selected here as an example and the adaptive element integrated therein; <Tb> FIG. 2a: <sep> the view of an adaptive element, here by the example of tubes as deformable structural parts; <Tb> FIG. 2b shows the adaptive element of FIG. <Tb> FIG. 3: <sep> effective force-deformation relationship using the example of a flux steel tube as a deformable structural part.

[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. In Fig. 1a a possible static system is shown, in which the adaptive element can be used. It shows a simple statically indeterminate truss with three squat bars 1-3. The middle bar 2 is perpendicular, while the outer bars 1 and 3 converge at the top to a pediment. At the lower middle node is the adaptive element 4. The truss is loaded with a vertical force F in the upper common node.

[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. In Fig. 1b, the adaptive element 4 of Fig. 1ain is shown in an enlarged representation. F denotes the force acting from above, and w denotes the deformation which the adaptive element experiences through the applied load F.

[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. Fig. 1c shows the deformation behavior of the adaptive element under the applied load F. It has a specified specifically for each application force-deformation characteristic. For the example of a supporting structure shown in Fig. 1a, a bilinear approach is to be chosen. In the first phase, the adaptive element behaves linearly elastic. When a predefined force Fmax is reached, the device switches to the second phase, which in this case can be declared as plastically ideal. This predefined force Fmax corresponds to the example in FIG. 1 aader maximum permissible force of the central rod, so that it still has a stable behavior. The overall behavior of the device and the central rod 2 is thus regulated thanks to the built-in adaptive element, with the aim that the middle rod 2 under no circumstances receives a higher load than this could take.

[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). In Fig. 1d, the system response is shown schematically for the example shown in Fig. 1a. Here, the individual bar forces are plotted against the vertical external load. With a monotonous increase in load, the truss or the support structure behaves linearly elastic. Upon reaching the maximum permissible load capacity in the middle bar 2, the second phase previously described in the adaptive element (points A in FIG. 1d) is activated or initiated. The increase in load can now be continued until the maximum permissible load-bearing forces of the remaining bars 1, 3 are reached (points B in FIG. 1 d).

[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. Fig. 2a shows the view of an exemplary adaptive element. In this case, tubes have come into play as deformable structural parts 5, which have the desired characteristic. These tubes are here metal tubes, which are inserted between a base plate 8 and a cover plate 7 so that they extend horizontally and juxtaposed between these two plates. They can be held together in this arrangement of flat iron 6. The maximum permissible load capacity can be set very precisely by the dimensions of the cross section as well as over the total length of the tubes.

[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. Fig. 2b shows the plan of the example of this adaptive element, a device, after disassembly of the cover plate 7. It can be seen here the four adjacent tubes which form the deformable structure 5.

[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. Fig. 3 shows the force-deformation relationship from a Rohrpressversuch. For this purpose, a seamless steel pipe St. 35.29 was used. It has an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 18 mm and a length of 100 mm. It reflects in a sufficient sense the required bilinear characteristic for the example. In the mentioned second phase, a compression of at least 25 percent can be achieved with negligible load increase.

Ziffernverzeichnisdigits directory

[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[0015] <tb> 1 <sep> oblique staff left <tb> 2 <sep> vertical, central bar <tb> 3 <sep> oblique staff right <tb> 4 <sep> adaptive element <tb> 5 <sep> tubes as an example of an adaptive element <tb> 6 <sep> Flat iron as horizontal stabilizer and spacer <tb> 7 <sep> Cover plate of the adaptive element <tb> 8 <sep> Base plate of the adaptive element

Claims

1. Adaptive element for securing support structures in statically indeterminate support systems for deriving forces before reaching their support limit, which controls at least one predefined load limit, that is, with specified force-deformation characteristic deformable structural part (5) includes.

2. Adaptive element according to claim 1, characterized in that the at least one deformable structural part (5) is enclosed between a base (8) and cover plate (7).

3. Adaptive element according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one deformable structural part (5) between a base (8) and cover plate (7) is enclosed and consists of a horizontally arranged metal tube.

4. Adaptive element according to one of claims 1 to 2, characterized in that in the case of a plurality of deformable structural parts (5) these consist of a plurality of horizontally juxtaposed metal tubes.

5. Adaptive element according to one of the preceding claims, characterized in that it has a reversible or partially reversible deformation behavior, controlled solely by its structural mechanical properties.