DE2719487A1

DE2719487A1 - Eintragung von eigenspannungszustaenden in biegetraeger und normalkraftbeanspruchte staebe

Info

Publication number: DE2719487A1
Application number: DE19772719487
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Borsdorf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1977-05-02
Publication date: 1978-11-23

Description

"Eintragung von Eigenspannungszuständen
in Biegeträger und normalkraftbeanspruchte Stäbe" Die Erfindung betrifft die Eintragung von Eigenspannungszuständen vorzugsweise in Biegeträger und gerade,normalkraftbeanspruchte Stäbe unter der Bedingung,daß sich die einfretragenen Normalkräfte ganz oder teilweise gegenseitig aufheben oder mit äusseren Normalkräften im Gleichgewicht stehen.
Der Anwendungsbereicn der Erfindung bezieht sich auf vorzugs weise Biegelemente aus unterschiedlichen Materialien wie Holz, Stahl,Beton,Kunststoffe,NE-Metalle und andere geeignete Materialien.
Zweck der Erfindung ist es'Eigenspannungszustände mit Zug-und Druckspanngliedern vorzugsweise in Biegeträger so einzutragen'daß sich die eingetragenen Normalkräfte,die aus Zug-und Druckkomponenten bestehen,gegenseitig ganz oder teilweise aufheben, sodaß normalkraftfreie otlcr überwiegend normalkraftfreie Eigenspannungszustände i den Biegeträgern entstehen.Es is weiter Zweck der Erfindung,die zur Anwendung gelan-renden Druckspannglieder als selbständige,knicksichere Stützen zu verwenden.
Zweck der Erfindung ist es,die inneren Beanspruchungen der Biegeträger zu ermässigen und auch Baustoffe vergleichsweise geringerer Festigkeit einer normalkraftfreien Vorspannung zugänglich zu machen und in anderen Fällen die Einflüsse des Kriechens unter Dauerlastem teilweise oder ganz zu eliminieren.
Die Anwendung des Spannverfahrens ist im Spannbetonbau allgemein bekannt. Stählerne S annglieder aus hochfesten Stählen werden als Zugspannglieder eingesetzt und geben ihre Kräfte über Endverankerungen an den Betonträger ab und erzeugen in diesem Eigenspannungszustände,die sich aus Biegung mit Längskraft zusammensetzen.
Für viele Anwendungsfälle bietet die dabei auftretende Druckvorspannung des Biegeträgers keine Vorteile und lässt die zulässige Beanspruchung schneller eintreten,als das ohne Normalkraftanteil der Vorspannung der Fall wäre.
Die bekannten Spannverfahren wenden im allgemeinen eine exzentrische Vorspannung an. Die Resultierende der Spannkräfte befindet sich hierbei in einem bestimmten Exzentrizitätsabstand von der Schwerachse ,der die Grösse des nutzbaren Vorspannmomentes bestimmt, Nachteil der bekannten Spannverfahren ist es daher,daß bei dem nur wenig veränderlichen Hebelarm der inneren Kräfte die angestrebten Vorspannmomente nur durch eine erhebliche Steigerung der Spannkräfte erreicht werden.
Sowohl der Normalkraft-wie auch der Biegemomentenanteil der Vorspannung erzeugen ari der gleichen Randfaser Druckspannungen Nachteil des Spannverfahrens ist es daher daß an einer Randfaser vorzgusweise die Druckspannungen schnell ansteigen und bald die für das verwendete Material zulässigen Grenzen erreichen. Nachteil der bekannten Spannverfahren ist es,daß für ihre Anwendung vorzugsweise Materialien hoher Festigkeit erforderlich werden, Ein weiterer Nachteil der üblichen Spannverfahren besteht darin, daß als IIebelarm der inneren Kräfte zur Erzeugung der vorspannmomente nicht die gesamte Querschnittshöhe genutzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ,vorzugsweise in Biegeelemente Eigenspannungszustände einzutragen,die in der Wirkung auf den Bauteil keine resultierende Normalkraftkomponente besitzen und in diesem nur Biegespannungen erzeugen, die vorwiegend den Spannungen aus äusseren Kräften entgegenwirken, Aufgabe der Erfindung ist es, die Gesamtbeanspruchungen der Biegeträger aus äusseren Lasten und Eigenspannungszuständen vergleichsweise geringer zu halten als bei anderen Verfahren, insbesondere bestimmte Lasten,wie z.B. die Eigengewichte durch affine Eigenspannungszustände praktisch frei von Durchbiegungen und Normalspannungen zu übertragen.
Damit ist es Aufgabe der Erfindung,auch Materialien geringerer Normalfestigkeit zur Obertragung grosserer Kräfte nutzen zu können,bei gleichzeitiger Verminderung oder Elimination der Durchbiegung, Bei der Anwendung des Verfahrens auf Betonkonstruktionen ist es Aufgabe der Erfindung,Kriecherscheinungen des Betons unter ständigen Lasten weitgehend auszuschalten und damit gleichzeitig die Durchbiegungen aus Kriechen zu eliminieren oder zu mindern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es,die Knickstabilität druckbeanspruchter Ttundstahl und/oder HohlkfrperstUtzen durch eine Kombination eine Normalkrafteigenspannungszustandes mit der angreifenden äusseren Last zu verbessern und die Möglichkeit; zu bieten,hochfeste Stähle zur Aufnatlme von Stützenlasten bei gleichzeitiger Elimination oder Verminderung der Knickgefahr einzusetzen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,daß neben üblichen Zugspanngliedern-oder Stäben auch Druchspannglieder oder Stäbe verwendet werden.Die Druckkraftelernente werden auf der entgegengesetzten Seite des Querschnittes angeordnet.
Beide Spanngliedarten,Zug-wie Druckspannglieder werden an ihren Enden nach bekannten Verfahren mit dem Biegeelement verankert und geben ihre Kräfte an den Träger ab. Die Kraftkomponenten der Spannglieder wirken in entgegengestzter Richtung und heben sich gegenseitig auf, sodaß aus ihrer Wirkung keine resultierende Normalkraft im Träger verbleibt,soweit keine unter schiedlichen Spannkräfte gewählt werden.
Beide Kraftkomponenten besitzen einen vorgegebenen Abstand von der Schwerachse des Querschnittes,der die Grösse des Eigenmomentenanteiles bestimmt. Die beiden Momentenanteile addieren sich zum eingetragenen Eigenspannungsmoment,daß vorzugsweise so gewählt wird,daß es den äusseren Momentenbeanspruchungen entgegenwirkt. Werden beide Kraftkomponenten gleich groß gewählt, über die Trägerlänge constallt gehalten und ihr Abstand proportional dem Verlauf der Eigengewichtsmomente gehalten, entsteht ein affines Eigenspannumgsmoment,daß die Eigengewichtsmomente aufhebt.Da auch keine resultierenden Normalkräfte im Biegeträger verbleiben,werden die Eigengewichte des Biegeträgers normalspannungsfrei und ohne Durchbiegungen aufgenommen. In der Schwerachse sind nur Schubkräfte in der Grösse der Normalkraft;komponenten zu übertragen. Für Baustoffe, die Kriecherscheinungen zeigen,werden bei dieser Methode der Eintragung der Eigenspannumgszustände die Kriechwirkungen eliminiert.
Gegenstand der Lösung der Aufgabe ist es, daß die Stähle oder Stäbe der Druckspannglieder in Hüllkanälen verlegt werden,die während der Eintragung der Druckkräfte das seitliche Ausweichen der Einzelstäbe verhindern oder begrenzen. Es ist auch Gegenstand der Lösung,daß die Hullkanäle durch einzelne Stütz-und Führungspunkte ersetzt werden,die in ausreichend engem Abstand angeordnet werden um das Ausknicken der Stäbe unter Druckspannungen zu verhindern.
Entsprechend dem Erfindungsgedanken sind die Zug-und Druckspannglieder vorzugsweise an den Trägerenden zu verankern.
Es ist deshalb ein Teil der Lösung der Erfindung,wrzugsweise beide Spanngliedarten koncav und konvex gekrümmt; im Träger zu verlegen und an den Trägerenden so zusammenzulühren,daß die Zug-und Druckspannglieder in einem Ankerstück kraftschlüssig verankert werden und sich hierbei die Kraftwirkungen aufheben.
Gegenstand der Lösung der Erfindung ist es weiterhin, die Knicke fahr von vorzugsweise Rohr-oder Hohlkörperstützen unter Druckbelastungen aufzuheben oder zu vermindern. Die Stütze bildet das Hüllrohr eines Druckspanngliedes.Die Einzelstäbe des Druckspanngliedes werden vorzugsweise um eine innere Spiralfeder kreisförmig angeordnet.Die äussere Hülle wird vom Stahlröhr der Stütze gebildet.Den Druckstäben des Spanngliedes verbleibt nur ein geringer Bewegungsspielraum.Bei der Eintragung der Druckkräfte in die hochfesten Einzelstäbe des Spanngliedes werden diese ausknicken und nach geringen Seitenbewegungen von den inneren und äusseren Hüllrohren stabilisiert. Da diese Seitenbewegungen der Einzelstäbe und die dabei auftretenden geringen Kraftwirkungen ungeregelt und zufällig sind,werden sich die Kraftwirkungen in der Summe überwiegend auftieben, sodaß die äussere Hüllstütze dünnwandig und nur eine geringe aber ausreichende Biegesteifigkeit besitzen muss,die auftretenden Stabilitätskräfte aufzunehmen Gegenstand der Erfindung ist es, daß die Knickfigur der eingeschlossenen Druckstäbe durch eine entsprechende Formgebung , vorzugsweise parabelförmig,vorgegeben wird und damit die Druckstäbe unter Belastung in stabiler Lage gehalten werden.
Die vorgegebene Knickfigur gestattet erfindungsgemäss die Grösse der Knick-Kräfte zu ermitteln .Damit sind auch die in der Hüllstütze atis dem Anpreßdruck der Druckstäbe tierrührenden Ringzugkräf te bekannt und bieten die Voraussetzungen, die Hüllrohre einwandfrei bemessen zu können.
Gegenstand der Erfindung ist es, daß die inneren Druckstäbe vor der Eintragung äusserer Lasten eine Druckvorspannung erhalten, bis diese ihre stabile Gleichgewichtslage eingenommen haben und ohne Knickgefahr äussere Lasten aufnehmen können.
Die äussere Hüllstütze oder auch ein Hilfsspannglied bieten der Vorspannung der inneren Druckstäbe das Gleichgewicht.
Besonders vorteilhaft ist es, die Vorspannung der inneren Druckstäbe bis zur Grösse der späteren ständigen Last vorzunehmen.
Beim Eintragen der äusseren standigen Last können die Hilfsspannglieder wieder entspannt wer(ien und die Verankerung der Vorspannkräfte wird von der äusseren Last übernommen.Der Spannungszustand der inneren Druckstäbe ändert sich in diesem Fall nicht,da lediglich ein Ersatz der Vorspannkraft durch die äussere Last erfolgt.
Die ständigen Lasten werden dehnungsfrei von der Stütze aufgenommen.
Erfindungsgemäss ist die Kopfplatte längsbeweglich in der Hüllstütze gelagert,sodaß beim Eintragen der äusseren Lasten die Hüllstütze nicht von Normalkraften beansprucht wird.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß vorzugsweise Biegeträgern unterschiedlicher Materialien normalkraftfreie,den Eigengewichtsbelastungen oder anderen ausgewählten Lastzuständen affine Eigenspannungszustände gegeben werden können,die die Beanspruchungen der Träger für diese ausgewählten Last zustände teilweise oder gänzlich aufheben da die Obertragung der Lasten allein von den vorzugsweise hocii£esten Stählen der Zug-und Druckspannglieder dbernommen wird.
Für diese Last zustände verbleiben die Biegeträger spannungs-und durchbiegungsfrei. Den Trägerquerschnitten obliegt nur die Aufgabe der Abstandhaltullg der Zug-und Druckspannglieder,deren Führung und Stabilisierung. Die Elgenspannungszustände und Differenzbeanspruchungen,die nach der Superpostion mit den Eigenspannungen verbleiben,sind vom Biegeträger zu übernehmen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Biegeträger geringerer Materialfestigkeit und geringerer Eigengewichte auc1i zur Aufnahme wesentlicher Belastungen eingesetzt werden können und das der Hauptanteil der inneren Kräfte hochfesten Zug-und Druckgliedern zugewiesen werden kann, ohne dass im Biegeträger Normal-und Schubspannungen verbleiben. Die Bemessung der Biege träger hat nur für die über die Eigenspannungen hinausgehenden Beanspruchungen zu erfolgen und ist unter dem Gesichtspunkt der Abst;andhaltung der Zug-und Druckspannglieder vorzuneiimen.
Der weitere Vorteil der Erfindung ist es,daß Druckspannglieder als selbständige Bauelemente für den Einsatz als Druckstäbe und Stützen verwendet werden können.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin,daß für diese Druckstäbe unter der Wirkung der äusseren Lasten die Knickgefahr eliminiert ist und die Druckkräfte aufnehmendç; Stäbe knickstabilisiert sind und bei der Eintragung äusserer Lasten keine Spannungsänderungen mehr erfahren. Der Vorteil der Erfindung ist es, daß zur Aufnahme gnosser Druckkräfte auch hochfeste,vorzugsweise Spannstähle verwendet werden können.
Die Figuren erläutern beispielsweise und schematisch das Wesen der Erfindung: Fig. 1 Führung der Zug-und Druckspannglieder im Längsschnitt eines Biegeträgers aus beliebigen geeigneten Materialien.
Fig.2 Querschnitt eines Biegeträgers mit Zug-und Druckspanngliedern.
Fig. 3,3aSpannungsdiagramm des normalkraftfreien Eigenspannungszustandes und die Oberlagerung mit dem Spannungsdiagramm aus Eigengewichten.
Fig. 4 Querschnitt des Druckspanngliedes bestehend aus einem Einzelstab im Führungsrohr.
Fig, 5 Druckspannglied mit einem Mittelstab und konzentrisch angeordneten Einzelstäben.
Fig. 6 Druckspannglied mit einer mittleren Ordnungsspirale.
Fig. 7 Druckspannglied in regelloser Haufenanordnung.
Fig.x8 Querschnitt eines kombinierten Holz-Stahlträgers.
Fig,.?9 U-Profile mit gekrümmten Druckspannglied.
Fig. lo Profilträger mit oder ohne Verbund der Spannglieder.
Fig. 11 Abgekantete Profile mit oder ohne Beul-Verstärkung durch Holzquerschnitte.
Fig. 12 Querschnitt einer vorgespannten Rundstahlstütze0 Fig. 13 Kopf der Rundstahlstütze mit längsverschieblicher Ankerplatte Fig. 14 Beispiel der Endverankerung eines Druckspanngliedes sus.regelloser Haufenanordnung der Spannstähle gen.
Fig. 7.
Fig. 15 System des knickstabilen Druckstabes Fig. 16 Querschnitt durch den knickstabilen Druckstab.
Fig. 17 JCräftegleichgewicht am Stützenkopf mit verankerter Kopfplatte.
Die Fig. 1 zeigt unterhalb der Schwerachse die Führung und Verankerung von Zugspanngliedern und oberhalb der Schwerachse die beispielsweise Führung der Druckspannglieder.Die gekrümmten Spannglieder erzeugen im gleichen Sinn gerichtete Umlenkkräfte(1) und zeigen,daß sowohl die Zugspannglieder wie auch die Druckspannglieder die entsprechenden Lastanteile der äusseren Lasten übernehmen.
Vorzugsweise enden die beiden Spanngliedarten im gemeinsamen Ankerkörper,in dem sich die Zug-und Druckkraftkomponenten unmittelbar ausgleichen.(2).
Die Fig.2 zeigt den Querschnitt eines Rechteckbiegeträgers mit Zug-und Druckspanngliedern im Bereich der Randfasern.Die Zugspannglieder (3) und Druckspannglieder (4) erzeugen den Eigenspannungszustand.
Fig. 3 erläutert den Eigenspannungszustand des Trägers,der aus einem eingetragenei Biegemoment ohne Normalkraftanteile besteht.
Das Diagramm(5)zeigt den eingetragenen Eigenspannungszustand Die Spannungen in den Spanngliedern die mit oder ohne Verbund im Träger liegen können haben das entgegengesetzte Vorzeichen(6) wie die zugehörigen Spannungen der Randfasern.
Das Diagramm (7) erläutert den Spannungszustand aus Eigengewicht.
Nach der Suporpoeltion der Spannuniren folgt das Diagramm Fig.3a.
Es folgt ein bieg.-und im wesentlichen auch schubspannungsfreier Spannungszustand im Biegeträger.
Die Fig. 4 bis b erläutern verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung von Druckspanngliedern.Die Druckstähle liegen vorzugsweise im Hüll-und Führungskanal. Bei der Eintragung der Druckkräfte knicken die Einzelstähle aus,werden aber von den Führung kanälen stabilisiert. Fig. 6 zeigt die Anordnung der Druckglieder um eine innere Spirale. Entsprechend Fig. 7 sind die Druokglieder ungeordnet mit begrenztem seitlichen Bewegungsspielraum im Führungskanal.
Fig.8 zeigt.einen Spannträger (8) der durch Holzprofile versteift wird.
Entsprechend Fig9 liegen die Druckspannglieder(9),die nach innen gekrümmt verlegt sind und die Zugspannglieder (10) zwischen U-Profilen. Als Abstandhalter sind Führungsbleche(11) für die Spannglieder angeordnet.
Fig. 1o zeigt einen Profilträger mit eingetrageneb Eigenspannungszustand.
Der Träger der Fig. 11 besteht aus dünnwandigen abgekanteten Blechen,die durch Holzprofile oder ähnliche Profile verstärkt sind.Der Eigenspannungszustand dieser kombinierten Träger wird von Druckspanngliedern 12 erzeugt,sowie von vorgespannten Untergurtblechen(13),die unter Spannung, vorzugsweise durch Punktschweissung mit dem Träger verbunden werden, nachdem die Endverankerungskräfte dieser Gurtverstärkungen in den Träger eingetragen sind. Im Holz bilden Aussparungen die Führungskanäle der Druckspannglieder.
Fig.12 zeigt den Querschnitt einer Rundstahlstütze,die ii Aufbau einem Druckspannglied entspricht.Um eine innere Spiral. (14) sind Rundstähle angeordnet,die unter leichter Druckvorspannung stehen und eine stabile Gleichgewichtslage eingenommen haben (15).
Die Druckstähle haben ihre Vorspannkraftan die äussere Hüllstütze (16) abgegeben,die unter Zugspannungen steht.
Die Fig. 13 zeigt mit den gleichen Bezeichnungen wie Fig. 12 den Längsschnitt durch die Druckspanngliedstütze. Die verankerte Kopfplatte (17) ist längsbeweglich in der Hüllstütze angeordnet;Die einzutragende äussere Last ist mit (18) bezeichnest. Die Druckstähle (15) übernehmen die Druckkräfte vorzugsweise über Kontaktflächen.Bei einer Steigerung der äusseren Last (18) wird das Hüllrohr(16) nicht beansprucht.
Die Fig. 14 stellt; beispielsweise die Endverankerung eines Druckspanngliedes dar und ist gleichzeitig Spannvorrichtung.
Die hochfeste Gewindemutter ist an der Ankerplatte befestigt(21).
Die Gewindeschraube (22) drückt die Spannstäbe (23) zusammen.
Die Kontaktfläche zwischen der Gewindeschraube (24) und dem Druckspannstahl ist vorzugsweise mit einem Gleitmittel versehen.
Die Fig. 15 erläutert beispielhaft den Längsschnitt einer knicksicheren Stütze.In einem äusseren Hüllrohr (25) aus Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton und anderen geeigneten Materialien sind in einem konzentrischen Kreis zum Hüllrohr Druckstäbe mit vorgegebener,vorzugsweise parabolischer Krümmung (26) angeordnet. Die Druckspannstähle erhalten eine Druckvorspannung, die mindestens so groß ist,daß die Stähle an der gekrümmten Führungsfläche knickstabil anliegen.Ein Hilfsspannglied (27) dient beispielsweise der Eintragung der Druckvorspannung und kann später wieder entfernt werden,nachdem die Druckkräfte (28) über die längsbewegliche Kopfplatte (29) endverankert(30) sind.
Beim Eintragen der Last (31) erfolgt keine ungewollte Belastung der Hüllstütze (25) wenn die Haftung zwischen dem Füllmaterial und der HUllstütze (32,25) durch geeignete Gleitmittel aufgehoben wird.oder der E-Modul des Füllmaterials so gering gewählt wird, daß die Kraftübertragungen praktisch vernachlässigt werden können.
Die Fig. 17 zeigt, daß als Abstandhalter der Druckstähle auch Spiralfedern ,horizontale Scheiben oder Ringe (33) Verwendung finden können.
Die.Fig, 16 erläutert den Querschnitt durch die Stütze der Fig. 15. Der Anpreßdruck der belasteten gekrümmten Druckstäbe erzeugt Ringzugkräfte im Hüllrohr (35).
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: eintragung von Eigenspannungszuständen in Biegeträger und normalkraftbeanspruchte Stäbe, gekennzeichnet dadurch,daß gleichzei tig Zug-und Druckkraftkomponenten über Zug-und Druckspannstäbe und/oder Zug-und Druckspannglieder in Biegeträger aus unterschiedder lichen Materialien mit entsprechender Führung Zug-und Druckkraftkomponenten so eingetragen werden,daß vorzugsweise Eigenspannungsmomente entstehen und die eingetragenen Normalkraftkomponenten sich ganz oder teilweise gegenseite aufElebendaß die ve wendeten Zug-und Druckspannglieder an ausgewahlten Punkten der Träger endverankert werden und Zug-und Druckspann glieder vorzugsweise in gemeinsamen Ankerkörpern endverankert werden,daß Druckspannglieder verwendet werden, die aus einzelnen oder mehreren Stäben-und Drähten zusammengesetzt und in Hüllrohren oder zwischen Stützpunkten so geführt werden, daß der Bewegungsspielraum für seitliches Ausweichen der einzelnen Stäbe oder Drähte gering bleibt und nach dem Eintragen einer Anfangsdruckkraft die Druckelemente sich gegenseitig oder gegen die Wandungen der Hüllrohre so abstützen, daß ihre Lage bei weiteren Laststeigerungen stabil bleibt.
2 Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch,daß die Druckspannglieder als selbständige Stützenelemente verwendet werden und die Kopfplatte dieser Sttzendruckspannglieder längsbeweglich angeordnet wird.
3 Nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet dadurch'daß den in der Hüllstütze vorhandenen inneren Druckstäben eine vorzugsweise parabolisch gekrümmte Knickfigur vorgegeben wird und der Anpreßdruck der knickstabilisierten Druckstäbe durch Abstandelemente in die Hüllstütze eingeleitet wird.
4 Nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch,daß die Endverankerung eines Druckspanngliedes in geeigneten Folien aus einer Gewindeschraube besteht,die der Endverankerung gleichzeitig mehrerer oder mindestens eines Druckstabes über eine Kontaktfläche mit Führungsrand dient und die beim Einschrauben in die Ankerplatte das Druckspannglied verkürzte 5 Nach Anspruch 1 und 5 gekennzeichnet dadurch, daß die Gewindeschraube in einem Ankerkörper befestigt ist, der gleichzeitig die Zugverankerung eines Zugspanngliedes aufnimmt.