CN111615576A - 混合承载结构和其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由外部的空心的金属的壳元件(11)构成的成形体，所述壳元件从最大横截面到两个端部(16)具有非线性变细的横截面并且为了构造芯元件(19)至少部分地围成空腔。

Description

混合承载结构和其应用
技术领域
本发明涉及一种新式的混合承载结构和其应用。
背景技术
由外部的金属的壳元件和一个或多个内部元件构成的混合承载结构是已知的，所述壳元件除了静力学功能之外也能满足装饰功能，所述内部元件仅具有静力学功能。
在代表性的建筑物中，对具有特别的形状和美学以及特定的和特别的特性的独特承载元件的需求是特别高的。对这些承载结构的很多要求又仅由不锈钢(通常称为“优质钢”)以理想的方式满足。然而，这些要求由于不锈钢的高材料成本而几乎不被实施。
特别是具有从支撑中心到两个端部非线性变细的横截面的支架由于其纤巧的和美学的外观而对建筑师和规划人员显示出特别的吸引力。所述支架的制造目前在传统上仅能受限制地实现、特别是昂贵且非常耗费的。
所述支架的作为纯钢筋混凝土支架以纤巧的结构方式具有经济上最佳的横截面积的的实施方案具有技术限制，因为在端部上也需要必需的混凝土覆盖。然而，在钢筋混凝土构件中的充分的混凝土覆盖是强制性必需的，以便避免由于混凝土的碳化的耐久性问题。因为这导致混凝土中的PH值降低并且由此导致可能的加强件腐蚀。
CN-A1982635、CN-A202596029和CN-A101476370描述了特定的实施方式，在所述实施方式中，外部的壳由不锈钢构成，并且混凝土填充物和/或内部的钢支架承担静力学功能。这些承载结构在总长度上具有恒定外径。
不取决于恒定外径的金属的空心结构应用在艺术和功能设计中。
已经存在将这样的空心结构用作承载结构的样本(Ninety Nine Failures，东京大学数字制造实验室)。为此，在内压下将相互连接的金属板材成形成空心体(“基于有效介质的成形”)并且将它们组装成亭状物的敞开的顶部结构。
在GB-A2366535中描述了用于基于有效介质地将板材成形成空心结构的方法，其中，在成形时通常将限制工具用作辅助器件。
EP-A2110189公开一种用于无工具地基于有效介质地将板材成形成空心结构的方法。然而，在较大的结构中在成形工艺期间需要一个或多个安装在内部或外部的限制元件。
然而，所有这些结构缺乏足够的对于特别是去除用于结构中的法向力的静态承载功能而言是必需的稳定性。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于：提供一种用于承载结构的成形体，该成形体在应用在建筑结构和建筑物中时不仅满足美学要求也满足静力学要求。为了能够在成形体的两个端部上实现连接点的最小尺寸，该成形体应具有从最大直径到两个支撑端部非线性变细的横截面并且出于静力学原因应沿纵向方向在承载结构的两个端部之间具有高承载能力。重要的特别是技术上改进的实施方案，该实施方案的典型特征在于高屈曲负荷能力同时具有减小的自重并且也适用于非竖直应用。
解决方案：
本发明提供一种由外部的、空心的金属的壳元件构成的成形体，该成形体具有从承载结构的最大横截面到两个端部非线性变细的横截面，并且该成形体为了构造芯元件而至少部分地围成空腔。可选地，所述成形体具有在静力学方面有承载能力的内部的芯元件，该芯元件将两个支撑端部彼此连贯地静态连接。
说明
因此，利用本发明提供一种成形体，该成形体能实现对混合承载结构的构建。所述成形体包括壳元件和芯元件。所述壳元件围成空腔，该空腔占据成形体的总长度并且完全不必具有内置件。同样地，所述空腔可以包含至少一个加强件和/或至少一个填充元件。通过它们，空腔可以完全或部分地被填充。在这种情况下，通过外部的壳元件界定的成形体容纳固体填充物并且经由该固体填充物防止成形体或可选的芯元件的侧向移动。因为这使承载负荷升高地以及刚性升高地起作用。
因此，按照本发明可以实现特定的成形体或支撑形状，该支撑形状优选从支撑中心出发朝向两个端部具有非线性变细的横截面。混合承载概念在大支撑长度的情况下也可用于高承载能力。
按照本发明使用的壳元件优选由不锈钢和/或碳钢构成。同样考虑铝、铜、黄铜和/或其他金属合金和/或塑料。所述壳元件可以由这些材料或这些材料的组合构成或者包含这些材料或这些材料的组合。因此，这些材料能够与之前提到的材料和/或其他材料组合地应用。
按照本发明的壳元件优选具有0.1mm至7mm、特别优选0.5mm至5mm、特别是1mm至4mm的层厚或者说厚度。
壳元件由于其密封性而阻止介质如二氧化碳、水、氯化物或其他化学物质进入并且因此也阻止碳化过程。也就是说，排除了内部中的腐蚀危险和特别是支架的两个细端部上的碳化并且实现整个构件的尽可能高的使用寿命。由此，按照本发明能够制成具有最细端部的成形体。
按照本发明，成形体由壳元件和芯元件构成。由此，该成形体提供混合承载结构(例如支架或弯曲梁)。所述芯元件优选能静态承载。
壳元件(在其内部中)包含(能静态承载的)芯元件。所述芯元件可以由组成部分空腔和/或填充元件和/或加强件(优选形式为芯杆)和/或压力松弛的构件(优选形式为绳或单绞合线)。此外，考虑这些组成部分的任意组合。
芯元件或其子组成部分也可以超出壳元件的轮廓或者特别是超出壳元件的端部。这特别是适用于例如形式为杆形元件的加强件。壳元件和/或芯元件或其子组成部分将成形体的两个端部相互连贯地静态连接。
优选地，加强件设计成杆形的，也就是说，最优选是杆、在下面称为芯杆。这个芯杆优选是柱体形的实施方案、例如设计为杆或形式为管的空心柱体。加强件优选是芯杆的形式并且在其长度上可以对应于成形体的长度或者也可以较长或较短。在此，柱体形的杆或空心柱体可以在其长度上完全或部分地具有螺纹并且/或者具有两个或更多个所连接的单件。加强也可以通过多个单杆或通过纤维加强件进行。所述加强件优选包含金属或由金属构成。优选使用钢。特别优选地，所述加强件由高强度材料制成。也可以使用CFK(碳纤维合成材料)或GFK加强件。
壳元件与加强件(特别是芯杆)之间的空腔可以具有填充物。优选的是：将填充元件引入到该空腔中、特别是在对成形体加压应力时。按照本发明优选的是：这是可泵送的。作为填充元件优选使用矿物结构材料、特别是混凝土或砂浆。所述填充元件可以由这些材料构成或包含这些材料。
作为填充元件也考虑聚合物。在这里，特别是列举发泡的或起泡的聚合物，例如发泡的聚氨酯、聚异氰酸酯、聚异三聚氰酸酯。此外，可使用例如水泥泡沫、混凝土泡沫、木材泡沫或其他任意的有机的或无机的泡沫。填充元件可以包含所提到的材料或者填充元件可以由其构成。因此，所述填充元件由所提到的材料的组合构成或者也可以与其他材料组合地使用。所述填充元件例如可以包含未发泡的和发泡的份额、例如混凝土和发泡的混凝土。
加强件(特别是芯杆)优选置入到填充元件中。这个加强件或者说这芯杆由于按照本发明的混合承载结构可以超过其流变极限地被加载。也就是说，通过包围的填充元件的弹性置放阻止芯杆的稳定性失效和屈曲。壳元件以用绳缠绕的外部加强层的形式承担静态承载功能。芯元件用于使较小厚度的壳元件稳定和保持形状。
在本发明的另一变型方案中，所述芯元件可以具有压力松弛的和/或预紧的元件、例如绳或单绞合线。为此考虑任意材料。借助于压力松弛的元件可以为外部的壳元件或芯元件加载压力。此外，受拉力作用的预紧的绳可以引导穿过空心体。
优选地，成形体的长度与整个成形体在最厚部位处的直径的比例为3:1至30:1的范围内、特别优选5:1至25:1的范围内、最优选10:1至20:1的范围内。在成形体的最细部位处，可实现直径的10mm至400mm、优选50mm至150mm、特别优选60mm至120mm的值。
在成形体的端部上向该成形体中的负荷导入可以在整个端部横截面上进行或者也可以仅在子组成部分上进行。为了在成形体的端部上局部地导入负荷，可以使用可选的连接件。所述连接件用于连接到另外的承载结构上。此外，所述连接件保护由于切下成形体的端部而暴露的混凝土区域以防介质(碳化物)沿支撑纵向进入。附加地，通过连接件和适当的措施(例如局部构造具有用于防火的隔热层构成物的隔热材料或涂层)来确保对支撑端部的防火要求。
例如混合承载结构的下列变型方案是可能的：
(a)成形体仅由(三维的)壳元件构成并且因此构成空心体，也就是说，所述壳元件是空腔。负荷去除经由壳元件进行。
(b)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件构成或者包含该填充元件。填充元件可以是混凝土或泡沫并且在这里例如可以包含纤维加强件。负荷导入例如经由芯元件进行或者经由芯元件和壳元件进行。
(c)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由至少部分被填充元件包围的芯杆构成。负荷导入经由芯元件进行。
(d)构造对应于原理(c)，然而芯杆与成形体齐平地设置。负荷导入经由芯元件进行或者经由芯元件和壳元件进行。
(e)成形体由(三维的)壳元件构成并且作为芯元件具有压力松弛的构件，该构件引导穿过壳元件的空腔。
(f)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件和形式为一个或多个单杆的加强件构成。可选地可以经由一个或多个单杆产生预紧的芯元件。
(g)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件和形式为多个单杆的加强件构成或者包含所述填充元件和所述加强件。
(h)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成。所述芯元件由至少局部被填充元件包围的芯杆构成。芯杆的长度比成形体短。连接件在成形体的端部上伸入到该成形体的内部中并且能实现向芯杆中的负荷导入。
按照本发明提出成形体作为承载结构的应用，例如用作支架、弯曲梁或拉杆。这在不同的建筑、例如桥中得到应用。同样地，形状的部分可以用作承载结构。这例如也可以通过以下方式实现，即，在制成成形体之后切除所述部分。
按照本发明可以制造成形体，其方式是，
1.提供至少两个金属的扁平元件、例如具有预先确定的形状或者说轮廓的板材。
2.将所述扁平元件沿着其轮廓如此拼接，使得构成具有一个空腔或多个空腔的双层或更多层的壳元件，所述空腔优选是封闭的，并且所述壳元件具有沿着较长的轴线从最大直径到两个端部非线性的横截面。所述拼接导致优选流体密封的空腔。
3.在所述壳元件的一个或多个部位处安装用于传送压力介质的接口。
4.在平坦的壳元件的一个空腔或多个空腔中借助于压力介质产生相对于环境压力的过压，该过压适用于将壳元件成形成所述成形体的预先确定的三维结构。
5.(必要时)将壳元件的一个端部或两个端部分离，从而在一个端部或两个端部上各产生一个用于引入芯元件的开口。
6.必要时去除用于传送压力介质的一个接口或多个接口。
7.经由芯元件的一个或多个敞开的端部(或者可选地经由用于传送压力介质的一个接口或多个接口)引入芯元件，该芯元件适用于将壳元件的两个端部连贯地静态地相互连接。
8.必要时经由壳元件的一个/多个敞开的端部将填充元件引入到加强件(特别是芯杆)与壳元件之间的空腔中。
优选将一个或多个注入接头通过焊接到所接合的、双层的、尚平坦的壳元件上而优选安装在一个或两个端部上，然后经由该注入接头引入成形流体。在成形后将两个端部(步骤5)必要时包括焊接在那里的注入接头切下。接着，引入由芯杆(例如高强度的钢)和填充元件(例如混凝土)构成的芯元件。
在步骤4中，在本发明的一种变型方案中，将气体、例如压缩空气或液体、优选水用作压力介质。在成形之后又将这些压力介质从试样去除。同样地在步骤4中可以将液态混凝土或砂浆用作压力介质。混凝土在壳元件中作为芯元件或者作为填充元件保留。在步骤4中，也可以将聚氨酯原料或发生反应的有机材料用作压力介质。在主力，聚氨酯也在壳元件中作为芯元件或填充元件保留。
这种方法提供基于有效介质的无成型模具的成形。它可以实现：由不锈钢制成的薄板材(例如0.1mm至7mm)制造具有几乎任意几何形状的结构。制造具有特别形状的薄壁的壳层结构是可能的。基于按照本发明使用的薄板材厚度可以降低昂贵的不锈钢份额，这导致明显的成本节约。
在基于有效介质的成形中，将两个或更多个优选厚度为0.1mm至7mm的薄板材在边缘上材料锁合地(例如通过熔焊、钎焊、粘接等)接合并且接着通过内压成形。作为压力介质考虑上述材料。因此，在这种情况下不使用成型模具。所形成的空间结构的形状仅通过板的初始几何形状和内压来控制。然而，作为本发明的变型方案也可能的是：至少部分附加地使用成型模具(例如用于限制成形或用于使壳元件仿形)。
在此，基于有效介质的无成型模具的成形和对结构的填充也可以在一个共同的工艺步骤中进行。也就是说，填充元件直接用作成形介质并且然后直接保留在所述结构中。通常应用两级的方法。也就是说，首先利用水(其在成形后又被去除)进行成形并且接着引入芯元件(例如芯杆和填充元件)。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明。
附图标记列表
1-10 方法步骤
11 壳元件
12 填充元件
13 加强件
14 混凝土底部
15 空腔
16 成形体的端部
17 切出的板材
18 连接件
19 芯元件
20 压力松弛的构件、例如绳
图1 示出由板材直到成形体的制造过程；
图2 示出成形体的不同变型方案；
图3 示意性示出按照本发明的不同长度的成形体；
图4 示出按照本发明的具有芯元件的成形体。
具体实施方式
在按照图1a的步骤1中裁切板材。在这种情况下，在步骤2中安装用于传送压力介质的一个或多个接口，在步骤3中将两个或更多个切出的板材17叠置并且适当地固定，并且然后在步骤4中例如通过利用密封接缝的焊接而材料锁合地接合。在步骤5中进行用于立体的空心体15的基于有效介质的成形过程，其中，在本情况下将水用作有效介质。在成形过程结束之后，在步骤6中进行成形体的端部16的分离。按照步骤7，装入可选的用于连接到其余结构上的连接件。由步骤8得出：可选地引入例如形式为芯杆的加强件(用于提高承载能力)。按照步骤9引入填充元件。由此，形成按照本发明的混合构件。按照步骤10形成壳元件11、填充元件12和用作加强件的芯杆13。
图2示出混合承载结构的不同的可能的变型方案。在成形体的端部上向该成形体中的负荷导入可以在整个端部横截面上(例如壳元件和芯元件，参见图2b(d))或者也仅在子组成部分上(例如仅在变型方案图2b(c)中的加强件(芯杆)上)进行。为了在成形体的端部上局部地导入负荷，可以使用可选的连接件。以下变型方案详细地示出：
(a)成形体仅由(三维的)壳元件构成并且因此构成空心体，也就是说，所述壳元件是空腔。负荷去除经由壳元件进行。
(b)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件构成或者包含该填充元件。填充元件可以是混凝土或泡沫并且在这里例如可以包含纤维加强件。负荷导入例如经由芯元件进行或者经由芯元件和壳元件进行。
(c)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由至少部分被填充元件包围的芯杆构成。负荷导入经由芯元件进行。
(d)构造对应于原理(c)，然而芯杆与成形体齐平地设置。负荷导入经由芯元件进行或者经由芯元件和壳元件进行。
(e)成形体由(三维的)壳元件构成并且作为芯元件具有压力松弛的构件，该构件引导穿过壳元件的空腔。
(f)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件和形式为一个或多个单杆的加强件构成。可选地可以经由一个或多个单杆产生预紧的芯元件。
(g)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成，其中，所述芯元件由填充元件和形式为多个单杆的加强件构成或者包含所述填充元件和所述加强件。
(h)成形体由(三维的)壳元件和芯元件构成。所述芯元件由至少局部被填充元件包围的芯杆构成。芯杆的长度比成形体短。连接件在成形体的端部上伸入到该成形体的内部中并且能实现向芯杆中的负荷导入。
基于这种方法形成在图3和图4中示出的成形体。从图4可以详细地看到成形体。在实例情况下，成形体在端部16处借助于连接件18(在这里：例如脚板)紧固在混凝土底部14上。在图4中，芯杆13由填充元件12包围。芯杆13和填充元件12构成芯元件。这又通过壳元件11以预给定的形状保持。

Claims (16)

1.由外部的金属的壳元件(11)构成的成形体，所述壳元件从最大横截面到两个端部(16)具有非线性变细的横截面并且为了构造芯元件(19)至少部分地围成空腔。
2.按照权利要求1所述的成形体，其特征在于，所述壳元件(11)包含不锈钢、(碳)钢、铝、铜、黄铜和/或其他金属合金和/或塑料，或者由不锈钢、(碳)钢、铝、铜、黄铜和/或其他金属合金和/或塑料构成。
3.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述壳元件(11)具有0.1mm至7mm的厚度。
4.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述成形体是空心体。
5.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述壳元件(11)和/或芯元件(19)将所述成形体的两个端部(16)连贯地静态地相互连接。
6.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述芯元件(19)具有加强件(13)或由加强件构成。
7.按照权利要求6所述的成形体，其特征在于，所述加强件(13)是柱体形的杆或空心柱体。
8.按照权利要求6或7中任一项所述的成形体，其特征在于，所述加强件(13)包含金属、优选钢或者由金属、优选钢构成。
9.按照权利要求8所述的成形体，其特征在于，所述加强件(13)由高强度材料构成。
10.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述芯元件(19)具有填充元件(12)或由填充元件构成。
11.按照权利要求10所述的成形体，其特征在于，所述填充元件(12)包含密实的矿物结构材料、优选混凝土和/或聚合物或者由所述材料中的至少一种材料构成。
12.按照权利要求10或11中任一项所述的成形体，其特征在于，所述填充元件(12)包含至少一种发泡形式的材料或者由至少一种发泡形式的材料构成。
13.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，所述成形体或所述成形体的芯元件包含压力松弛的和/或预紧的元件。
14.按照上述权利要求中任一项所述的成形体，其特征在于，壳元件(11)与加强件(13)之间的空腔(15)具有所述填充元件(12)或以所述填充元件填充。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的成形体作为承载结构的应用。
16.按照权利要求1至14中任一项所述的成形体的应用，其特征在于，将所述成形体的部件用作承载结构。
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