DE1802190B2 - Leichte Hängedachkonstruktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine leichte Hängedachkonstruktion, insbesondere für großflächige, schwach gekrümmte Überdachungen, mit einer in der Makrostruktur antiklastisch gekrümmten, aus einer Vielzahl von vorgefertigten Platten bestehenden Dachhaut und mit einem knotenpunktfreien Seilsystem aus mehreren einsinnig gekrümmten, in der senkrechten Projektion im wesentlichen parallelen Tragseilen, an denen die Platten mit jeweils zwei gegenüberliegenden Rändern befestigt sind.

Es ist bereits bekannt, größere Flächen oder Bauwerke in der Weise zu überdachen, daß die aus Gewebebahnen, Holz- oder Metallelementen bestehende Dauchhaut an nach unten durchhängenden Tragseilen befestigt wird, die an Auflagern verankert sind. Die gesamte Dachhaut besteht also aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Bahnen. Um ein Flattern der Dacheindeckung, das durch Sogkräfte hervorgerufen werden kann, weitgehend zu unterbinden, sind die Tragseile durch von unten gesehen konkav gekrümmte Spannseile abgefangen. Das Seilsystem besteht demnach aus einem Netz zweier Scharen von Seilen, die in entgegengesetztem Sinne gekrümmt sind. Nachteilig ist bei einer derartigen Dachkonstruktion, daß sehr viele Seile erforderlich sind, da die Seile einmal über Kreuz geführt und beispielsweise in Abständen von 50 bis 60 cm angeordnet sind. Ferner sind zum Abfangen der oberen Seilschar durch die untere Seilschar viele Knotenpunkte erforderlich. Schwierig ist ferner der genaue Zuschnitt der Seile und die geometrische Festlegung der Kreuzungspunkte. Ein Nachspannen der Seile ist nur mit großer Mühe möglich, da zum Nachspannen die Knotenpunkte gelöst werden müssen.

ι Bei schwachen Dachkrümmungen sind ferner sehr hohe Vorspannkräfte zur Stabilisierung des Daches erforderlich, örtliche Verkehrslasten, z. B. Schneesäcke oder Druckballen bei dynamischer Windbeanspruchung, führen zu großen Verformungen, wenn die Dachhaut

> selbst keine Schub- und Biegesteifigkeit besitzt. Das orthogonale Seilnetz mit den beiden Seilscharen hat nämlich keine SchubsteifigkeiL Eine Lastverteilung ist hierdurch nur beschränkt möglich. In vielen Lastfällen — vor allem bei konzentrierten Lasten — erfolgt die

ι Lastabtragung deshalb auf Umwegen und verbunden mit relativ großen Verformungen zu den beispielsweise punktförmigen Stützungen. Bei schwach gekrümmter Dachkonstruktion ist die Neigung zum Flattern infolge von Windböen besonders groß.

Andere bekannte Dachkonstruktionen sind reine Schalendächer aus Stahlelementen, die aus zwei Lagen von Trapezprofilen bestehen, die man rechtwinkelig zueinander anordnet, durch die elastische Verwindung in die gewünschte Form bringt und in diesem Zustand miteinander verbindet. Diese Dächer sind sogenannte Hypardächer. Sie sind nicht vorgespannt. Die aus den Trapezprofilen gebildete Schale liegt auf geraden, in den Erzeugenden der Fläche liegenden Randbalken auf. Seile sind dabei nicht vorhanden. Derartige Dächer sind demnach keine Hängedächer.

Bei einer bekannten Hängedachkonstruktion der eingangs genannten Art sind die vorgefertigten Platten untereinander nicht verbunden sondern lediglich mit stählernen Haken an den Tragseilen angehängt. Die Tragseile aind an zwei schrägliegenden, sich kreuzenden Bogenbindern befestigt. Bei dieser bekannten Konstruktion besteht eine Neigung zum Flattern, denn die Bogenbinder sind so gestaltet, daß Querverbindungen am Dach unnötig sind und die Hängelinien zu Kettenlinien werden. Dieses freie, unvorgespannte Hängen führt zwangsläufig dazu, daß bei örtlicher Beanspruchung, z. B. infolge von Sogwirkung durch Wind, die freihängende Kette in Schwingungen gerät und zum Flattern neigt. Konzentriert einwirkende Kräfte führen bei der bekannten Konstruktion zu einer entsprechend konzentrierten Verformung. Zu einer Abtragung der Kräfte durch Verteilung auf die übrige Dachhaut kommt es nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hängedachkonstruktion der eingangs genannten Art die Neigung zum Flattern zu verringern und konzentriert einwirkende Kräfte durch großflächige Verformung der Dachhaut abzutragen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Platten als im wesentlichen rechteckförmige, dehn- und schubfeste sowie biege- und torsionssteife Schalenelemente ausgebildet sind, die an ihren Rändern zug- und schubfest sowie biegesteif miteinander verbunden sind.

Bei dieser Lösung wird bei einfacher Seilführung durch die schubfesten Platten und deren schubfeste Verbindung untereinander das Flattern vermindert, bei örtlicher Belastung die Last auf einen größeren

Dachbereich verteilt und Energie nicht ausschließlich am Einleitungsort sondern auf einem größeren Bereich durch Dämpfung verzehrt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Platten aus je zwei in einer Richtung profilierten, über Kreuz aufeinandergelegten Tafeln, deren an den Tragseilen befestigte Ränder durch elastische Verwindung der Tafeln dem Verlauf der Seillinien polygonzugartig angepaßt sind und die in diesem Zustand an den Berührungsstellen miteinander verbunden sind. Die Tafeln sind vorzugsweise profilierte Bleche, insbesondere Trapezbleche. Benachbarte Platten sind zweckmäßigerweise miteinander vernietet. Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß alle Platten gleich groß sind und die gleiche Rechteckform haben. Dabei besteht ein fertigungstechnischer Vorteil darin, daß man von einheitlichen Tafeln ausgehen kann. Es versteht sich, daß die Verwindung der einzelnen Elemente im allgemeinen unterschiedlich groß ist. Die Tragseile verlaufen bei dieser Ausführungsform nicht exakt parallel sondern in Raumkurven, deren Lage sich bei der Montage von selbst ergibt. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Tragseile in parallelen, zweckmäßigerweise gleich abständigen Ebenen aufgehängt. Dadurch ergeben sich rechnerische Vorteile.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Hängedachkonstruktion an Ausführungsbeispielen dargestellt.

F i g. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Tragseile eines Daches.

F i g. 2 zeigt die Anordnung der Platten bei einem ähnlichen Dach.

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Dach in größerem Maßstab.

F i g. 4 zeigt eine Dachplatte.

F i g. 5 und 6 zeigen je einen Verbindungsstoß zweier Dachplatten, wobei die Naht quer zu den Tragseilen verläuft

F i g. 7 zeigt einen Verbindungsstoß, wobei die Naht parallel zu einem Tragseil verläuft.

Mit 1 und 2 sind zwei Pylone bezeichnet, über deren Spitzen Gratseile 3 und 4 geführt sind, die auf der einen Seite an einem Randseil 5 und auf der anderen Seite an Abspannpunkten 10, 11, 12 angeschlossen sind. Zwischen den Gratseilen 3, 4 verlaufen in zueinander parallelen, gleichabständigen Ebenen mehrere Tragseile 6a, 6b, 6c...6n. Die Tragseile 6a...6n sind durchhängende Seile. Der Durchhang der Tragseile Sa ... 6/? nimmt von den Pylonen 1, 2 zum Randseil 5 hin monoton ab. Dadurch wird eine in der Makrostruktur antiklastisch gekrümmte Fläche aufgespannt. In einer durch die Pylone 1,2 gehenden Ebene sowie in den dazu parallelen Ebenen ist die Krümmung des Daches entsprechend dem Durchhang der Tragseile von oben gesehen konkav. In den dazu senkrechten vertikalen Schnitten ist die Krümmung, wie durch die Linie 8 versinnbildlicht, von oben gesehen konvex.

Zwischen den Tragseilen sind Platten 7a, 7 b, 7c... 7 π befestigt Sie haben etwa die Form von Rechtecken, da ihre vier Kanten gerade und paarweise wenigstens annähernd gleich lang sind. Die Länge des einen Kantenpaares entspricht dem Abstand zweier Tragseile. Die beiden anderen, einander gegenüberliegenden Kanten sind an den Tragseilen befestigt und dem polygonzugartigen Verlauf der Seillinien angepaßt. Da zwei benachbarte Tragseile verschieden stark durchhängen, können die Kanten der Platten nicht in einer Ebene liegen. Sie stehen vielmehr windschief zueinander. Demzufolge bilden die einzelnen Platten keine ebene Flächen; sie haben vielmehr die Form von hyperbolischen Paraboloiden, kurz HP-Flächen, mit schwachen Krümmungen, deren Erzeugende parallel zu den Kanten liegen. Zwei benachbarte Elemente gehen jeweils mit kleinen Knicken ineinander über, und zwar sowohl in Richtung der Seile als auch quer dazu. Das wird durch F i g. 3 veranschaulicht, in der der Deutlichkeit halber die Knicke größer gewählt sind, als es der Wirklichkeit entspricht Man erkennt, daß die Tragseile 6/... 6m seileckartige Polygonzüge bilden. Zwischen den Tragseilen befinden sich die Platten 7/.. Im, welche annähernd rechteckig sind, jedoch infolge der windschiefen Lage ihrer Kanten H P-Flächen bilden. Bei den Platten 7Jt und 71 sind die Erzeugendenscharen der HP-Flächen eingezeichnet. Ferner sind auch die parabelförmigen Schnittlinien, die diagonal zu den Erzeugenden verlaufen, als strichpunktierte Linien eingetragen. Die in der Makrostruktur antiklastisch gekrümmte Dachhaut ist also in der MikroStruktur ein Faltwerk aus HP-Flächen.

In Fig.4 ist eine Platte einer bevorzugten Ausführungsform gezeichnet. Dabei ist die windschiefe Lage der Ränder zur besseren Verdeutlichung übertrieben stark dargestellt. Jede Platte besteht aus zwei aufeinandergelegten Trapezblechen 13, 14, deren Sicken kreuzweise zueinander angeordnet sind. Der Winkel zwischen den Sicken der beiden Trapezbleche beträgt vorzugsweise 90°, kann aber auch davon abweichen. Die Trapezbleche können entsprechend den unterschiedlichen Beanspruchungen unterschiedlich dimensioniert werden; insbesondere kann die Dicke der beiden Bleche verschieden sein. Die Blechdicke beträgt beispielsweise 0,75 bis 2 mm, die Höhe der Rippen 30 bis 100 mm. Es werden mit Vorteil verzinkte und/oder mit Kunststoff beschichtete Stahlbleche verwendet. Derartige Trapezbleche sind handelsüblich.

Bei der Herstellung der Platten wird zunächst das eine Trapezblech 13 durch elastische Verwindung so verformt, daß die räumliche Lage zweier gegenüberliegender Kanten dem Verlauf der Tragseile an der betreffenden Stelle entspricht. Anschließend wird das zweite Trapezblech 14 so daraufgelegt, daß seine Profilkanten in den Winkel zwischen den Erzeugenden der gewünschten HP-Fläche (z. B. 90°) gegen die Profilkanten des ersten Bleches verschwenkt sind, und in der gleichen Weise verformt. Schließlich werden die beiden Trapezbleche 13, 14 an ihren Berührungsstellen punktförmig befestigt, z. B. vernietet. Es genügt in der Regel, wenn etwa jede dritte Berührungsstelle befestigt wird. Nach dem puriktförmigen Befestigen behalten die Trapezbleche ihre durch die Verwindung entstandene H P-Form bei. Die so gebildeten Platten zeichnen sich durch eine hohe Formstabilität aus. Sie bilden eine anisotrope Schale, die alle sechs Schnittgrößen eines räumlichen Kontinuums übertragen kann.

Es ist klar, daß die Form der Trapezbleche 13,14 von der Recheckform etwas abweichen kann. Die Abweichungen sind aber in der Regel nur geringfügig. Selbstverständlich ergeben sich an den Rändern des Daches sowie in unmittelbarer Nachbarschaft der Gratseile 3, 4 zwangsläufig andere, zwickelartige Formen für die Platten. Im Bereich von singulären Punkten, also insbesondere in der Umgebung der Pylone 1,2, ist die erfindungsgemäße Dachkonstruktion durch andere, dem Fachmann geläufige Konstruktionen zu ergänzen.

Wie aus F i g. 4 zu erkennen ist, schließen die Ränder

F=

der beiden Trapezbleche 13 und 14 nicht bündig ab. Diese Bleche sind vielmehr so aufeinandergelegt, daß die Ränder benachbarter Platten falzförmig übereinandergreifen.

Diese Anordnung ermöglicht eine vorteilhafte Ausbildung der Verbindung zweier benachbarter Platten, wie sie in den F i g. 5 und 6 dargestellt ist. In F i g. 5 ist ein VerbindungsstoQ zweier Platten dargestellt, die aus den Trapezblechen 13, 14 bzw. 13', 14' bestehen. Eine den Rand des Trapezbleches 13 bildende Rippe übergreift eine nur teilweise ausgebildete, den Rand des Trapezbleches 13' bildende Rippe. Die Lücke zwischen den Blechen i4 und 14' ist durch eine Lasche 15 überbrückt, die aus einem Trapezstreifen besteht und mit den Rippen der Trapezbleche 14 und 14' durch Überlappung verbunden ist. Die Lasche 15 ist an den Überlappungsstellen verkröpft, wobei die Verkröpfung entsprechend dem durch die Dachform vorgegebenen Winkel zwischen den beiden benachbarten Platten ausgeführt ist. Der Winkel beträgt hier beispielsweise 5° und ist zu je 2,5° auf die beiden Überlappungsstellen der Lasche 15 aufgeteilt. An Stelle der Lasche 15 kann gemäß Fig.6 auch das Trapezblech 14a eine entsprechende Verlängerung aufweisen. Hierbei ist das Trapezblech 14' mit einer Verkröpfung versehen, die um 5° abgewinkelt ist. Bei dem in F i g. 7 gezeigten Verbindungsstoß weist das Trapezblech 13" eine um 5° abgewinkelte Verkröpfung auf. An der Unterseite des Trapezbleches 13" ist eine Seilschelle 16 angebracht, die zur Befestigung an dem Tragseil 6/dient. Aus den F i g. 5 bis 7 ist ersichtlich, daß die zur Bildung der faltwerkartigen Dachstruktur erforderlichen kleinen Knicke an den Stoßstellen sich durch die entsprechende Ausbildung der Verkröpfung ohne weiteres verwirklichen lassen. Die Verknüpfungen sind so reichlich bemessen, daß genügend Spiel besteht, um kleine Ungenauigkeiten auszugleichen. Infolge des ausreichenden Spiels im Überlappungsbereich ist es bei geeigneter Verkröpfung auch möglich, zwei benachbarte Platten so zu verbinden, daß ihre überlappten Ränder nicht parallel verlaufen, sondern in der Tafelebene einen kleinen Winkel einschließen. Daher können aus rechteckigen Tafeln hergestellte Platten auch an solchen Stellen des Daches verwendet werden, an denen infolge der geometrischen Struktur der Dachhaut streng genommen etwa parallelogramm- oder trapezförmige Platten erforderlich wären, sofern nur die Winkel der Parallelogramme oder Trapeze nicht allzu stark von 90° abweichen. Die Stöße sind zu 20 bis 60% der Querschnittsfläche vernietet. Die Vernietung erfolgt vorzugsweise durch Blindniete. In Bereichen schwacher Krümmung des Daches, d. h. also insbesondere in der Nähe des Randseiles 5 ist die Verbindung kräftig ausgebildet. In Bereichen stärkerer Krümmung genügt schwächere Dimensionierung.

Bei der Montage des Daches werden zunächst Pylone 1,2 gestellt, sodann die Gratseile 3,4 über die Pylone zu dem Randseil 5 gespannt. Seitlich werden die Pylone durch Montagehilfsseile gehalten. Zwischen den Gratseilen werden die Tragseile 6a JBn gezogen, deren

Durchhang entsprechend der Dachform gewählt wird. Infolge der Biege- und Torsionssteif igkeii der Platten Ta.. In können die Tragseile beispielsweise in Abständen von etwa 6 bis 8 m angebracht werden. Nun werden auf den Tragseilen die Dachelemente 7a.. In montiert, eine Reihe nach der anderen, und untereinander je nach Notwendigkeit mit 20 bis 60% der Querschnittsfläche vernietet. Nach der Montage aller Platten auf den ■ Tragseilen wird die erforderliche Vorspannung durch Spannen des Randseiles 5 eingebracht. Damit die Vorspannkräfte infolge der Schubsteifigkeit des Stahlmembrandaches nicht seitlich zu den Gratseilen 3, 4 abfließen, ist vorgesehen, die Vernietung mit den

κι Gratseilen, d. h. den Einbau der Zwickel-Randelemente, erst nach Einbringung der Vorspannung vorzunehmen Eine Korrektur der Vorspannung ist durch Anspannen einzelner Tragseile an den Gratseilen möglich. Es sind Nachstellmöglichkeiten vorgesehen.

i> Vor dem Vorspannen übertragen die Platten ihr Eigengewicht und die Montageiasten über Biegung aul die Tragseile. Beim Vorspannen bewirken die Elemente 7a.. .7η durch Zugkräfte quer zur Tragseilrichtung infolge der Umlenkkräfte (Polygonzug) die erforderliehe Vorspannung in den Tragseilen. Ein System vor Vorspannseilen wird also nicht mehr benötigt. Nach dem Vorspannen werden die restlichen ständiger Lasten und die Verkehrslasten durch Membranwirkung in beiden Richtungen an die Grat- und Randseile

r> abgetragen. Nur ein Teil der Lastabtragung verbleib! also den Tragseilen. Durch die Schubsteifigkeit dei Dachplatten sind auch alle nicht gleichmäßig verteilter sowie konzentrierte Lasten ohne Schwierigkeiter abtragbar.

in Durch den Fortfall der Spannseile und die großer Abstände der Tragseile wird das Seilsystem gegenübei bekannten Konstruktionen entscheidend vereinfacht Dadurch wird die Montage sehr erleichtert. Das Dach ist relativ leicht, sein Eigengewicht liegt beispielsweise

j". bei 50 bis 60 kp/m². Infolge seiner Eigensteifigkeit ist die Gefahr des Flatterns und örtlicher Verformungen nich' vorhanden. Die Dämpfung einzelner Stahldachelementc bei Biegeschwingungen ist sehr groß. Offensichtlich bilden sich zwischen den Kanten der Trapezprofil«

ί<> Wellenfelder mit Oberschwingungen aus, die die Energie aufzehren. Die Dämpfung wird durch dit häufigen Vernietungen an den Stoßen der Platten nocr erheblich vergrößert. Hierdurch ist auch die Dämpfung der gesamten Dachkonstruktion hinreichend groß

4-> Durch die gewählte Konstruktion und die Form dei einzelnen Stahltrapeztafeln wird auch mit dem Werk stoff Stahl, der an sich eine geringe Werkstoffdämpfung hat, im Großen eine sehr hohe Dämpfung realisiert.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbei

^r)() spiel ist es möglich, die Platten aus anderen Stoffet herzustellen, wie z. B. aus Aluminium oder andere: hinreichend zugfesten Metallen, aus Kunststoff odei auch aus Hartschaum in Kombination mit Stahl Besonders vorteilhaft erscheint jedoch die beschrieben!

¹V) Ausführung der Platten aus zwei aufeinandergelegte) Stahltrapezblechen oder eventuell aus zwei profiliertet Kunststofftafeln, vorzugsweise aus glasfaserverstärk tem Kunststoff. Auch die Form des Daches ist in weiten Rahmen variierbar. Es muß jedoch stets in de

w> Makrostruktur eine antiklastische zugbeanspruchti Schale bilden oder aus solchen Schalen zusammenge setzt sein.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Leichte Hängedachkonstruktion, insbesondere für großflächige, schwach gekrümmte Überdachungen, mit einer in der Makrostruktur antiklastisch gekrümmten, aus einer Vielzahl von vorgefertigten Platten bestehenden Dachhaut und mit einem knotenpunktfreien Seilsystem aus mehreren einsinnig gekrümmten, in der senkrechten Projektion im wesentlichen parallelen Tragseilen, an denen die Platten im jeweils zwei gegenüberliegenden Rändern befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7a.. In) als im wesentlichen rechteckförmige, dehn- und schubfeste sowie biege- und torsionssteife Schalenelemente ausgebildet sind, die an ihren Rändern zug- und schubfest sowie biegesteif miteinander verbunden sind.

2. Leichte Hängedachkonstrukiion nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7a.. In) aus je zwei in einer Richtung profilierten, über Kreuz aufeinandergelegten Tafeln bestehen, deren an den Tragseilen (6a.. ßn) befestigte Ränder durch elastische Verwindung der Tafeln dem Verlauf der Seillinien polygonzugartig angepaßt sind und die in diesem Zustand an den Berührungsstellen miteinander verbunden sind.

3. Leichte Hängedachkontruktion nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tafeln profilierte Bleche, insbesondere Trapezbleche (13,14) sind.

4. Leichte Hängedachkonstruktion nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Platten (7a, 7 b; 7a, Tc... usw.) miteinander vernietet sind.

5. Leichte Hängedachkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Platten (7a.. 7n) gleich groß sind und die gleiche Rechteckform haben.

6. Leichte Hängedachkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragseile (6a.. J6n) in parallelen Ebenen aufgehängt sind.