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Konstruktionsverfahren für vorgespannte
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Tragwerke aus Gußstahl.
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Die Erfindung betrifft ein Konstruktionsverfahren im Stahlbau, nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Im Stahlbau will man Tragwerke, die über ihren Auflagern im Raume
beliebig angeordnet und geradlinig, einfach oder mehrfach gekrümmt, flächenhaft
oder räumlich sind, auch bei größeren Spannweiten tragfähig, stabil und schlank
ausbilden.
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Die Materialverteilung im Tragwerk soll aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
dem Kräfteverlauf an jeder Stelle möglichst exakt entsprechen.
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Außerdem sind Forderungen zu erfüllen, die sich aus der statischen
und / oder dynamischen Beanspruchung ergeben.
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Dauerhaftigkeit, z.B. gegenüber Korrosion, ist sicherzustellen.
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Vorteilhaft ist es darüberhinaus, wenn die Konstruktion nach Erfordernis
zerlegbar, wiederverwendbar und sogar in ihren Abmessungen veränderbar ist und somit
die selbe Konstruktion an unterschiedlichen Orten und bei unterschiedlichen Voraussetzungen
verwendet werden kann.
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Für alle diese Erfordernisse hat man bisher unterschiedlichste Tragwerkskonstruktionen
eingesetzt, z.B. vollwandige oder fachwerkartige Träger, Stützen, Platten, Schalen.
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Als Material verwendete man vorwiegend Walzstahl mit produktionsbedingt
gleichbleibendem Querschnitt (Strangprofile).
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Diese wurden nach Bedarf vom Strang abgelängt und miteinander vernietet,
verschraubt oder verschweißt.
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Hier ergeben sich wirtschaftliche, technische und ästhetische Probleme:
erstens haben Walzstahl-Bauelemente aus Strangprofilen eine produktionsbedingt vorgegebene
starre Form mit kontinuierlich gleichem Querschnitt, der einer sinnvollen, differenzierten
Materialverteilung im Tragwerk gemäß den unterschiedlichen Erfordernissen des Kräfteverlaufs
entgegensteht, zweitens bedingt die Herstellung von Walzstahlkonstruktionen einerseits
die Vorhaltung verschiedener Profil sorten, andererseits das Entstehen von Verschnittabfällen,
drittens ist Walzstahl materialbedingt korrosionsanfällig. Konstruktionen aus Walzstahl
müssen durch aufwendige Maßnahmen geschützt .werden, viertens sind die üblichen,
nicht vorgespannten Walzstahl-Tragwerke beträchtlich durchbiegungs- und schwingungsempfindlich,
was zu aufwendigen Gegenmaßnahmen führt, fünftens erfordern Walzstahl-Konstruktionen
einen hohen Aufwand bei allen Verbindungen.
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Es entstehen technisch und ästhetisch schwierig lösbare Probleme bei
der kraftschlüssigen Verbindung der Bauteile in Fugen, bei Stößen, Knoten, Rahmenecken
usw.
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sechstens sind Walzstahl-Konstruktionen nach ihrer Demontage nur unter
erheblichem Aufwand wiederverwendbar.
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Aus diesen Gründen sind Tragwerke aus Walzstahl häufig nur beschränkt
geeignet.
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Die Anwendung der Spann- und Vorspanntechnik bei Walzstahlkonstruktionen
ist nicht gebräuchlich.
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Der Einsatz von Gußstahl auf dem speziellen Gebiet dieser Erfindung
nach Patentanspruch ist ebenfalls bisher nicht üblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
zu überwinden und darüberhinaus neue Anwendungsvarianten u.
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Gestaltungsmöglichkeiten zu eröffnen. Es soll als Baustoff ein in
der Formgebung optimal plastisch formbares Material eingesetzt werden, das korrosionswiderstandsfähig
ist, zudem ausreichende Festigkeitseigenschaften aufweist, sich den statischen Erfordernissen
im Tragwerk durch wählbare Querschnittsveränderung der Bauteile leicht anpassen
läßt und so eingesetzt werden kann, daß Durchbiegung und Tragwerksschwingung stark
reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Tragwerken durch die kennzeichnenden
Merkmale der Patentansprüche dadurch gelöst, daß einzelne Gußstahl-Bauelemente unter
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wendung der Vorspanntechnik und mit Ausnutzung des Bowdenzugeffektes
derart zusammengespannt sind, daß die Zuggurte des Tragwerkes vorgedrückt werden,
diese Vorspannung bewirkt wird durch koachsial in den vorzuspannenden Querschnitten
fomschlüssig zwangsgeführte Spannglieder, so daß die Zugkräfte im Spannglied und
die Durckkräfte aus Vorspannung im Zuggurt des Tragwerks nach Bowdenzugeffekt bei
entgegengesetzter Wirkungsrichtung den gleichen eg nehmen und dadurch auch gekrümmte
Zuggurte unter Vorspannung formstabil bleiben.
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Dadurch entstehen kontinuierliche, ebene oder räumliche Tragwerke
mit geradlinigem oder gleichsinnig oder gegensinnig gekrümmtem Verlauf über einem
oder mehreren Auflagern.
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Nach dem erweiterten Verfahren der Erfindung entsprechend Anspruch
2 können zwischen den einzelnen Gußstahlbauelementen Formpaßstücke angeordnet werdenszur
Variierung der Form des Tragwerkes.
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Nach dem erweiterten Verfahren der Erfindung entsprechend Anspruch
3 können bei den vorzuspannenden Zuggurten die Vorspannzugglieder auch exzentrisch
zwangsgeführt werden, um eine planmäßige Formveränderung bis zur Lagestabilisierung
zu bewirken.
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Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden
anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben.
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Es zeigen jeweils in systematischer Darstellung: Blatt 1 einen Ausschnitt
eines horizontalen Tragwerkes z.B. statisch bestimmt gelagerte Brückenträger, Blatt
2 einen Teil eines vertikalen Tragwerkes z.B. Fachwerkgittermast, Blatt 3 den Ausschnitt
aus einem Schalentragwerk z.B. Kuppel eines Gebäudes, Blatt 4 das Stütztragwerk
für eine Gewölbesanierung, Blatt 5 das Tragwerk eines Schiffsspanten, Es zeigen
auf Blatt 1: Fig.la die Seitenansicht eines zweifach gekrümmten Trägers, bestehend
aus den aneinandergereihten Gußstahlbauelementen 1 mit Obergurt 2, Untergurt 3,
dem Elementenstoß 4 und dem Auflager 5 Fig.lb den gleichen Träger im Grundriß in
der Draufsicht. Die gestrichelten Systemachsen 6 markieren horizontale Aussteifungen
gegen Ausweichen des Trägers unter Last Fig.1c in anderem Maßstab eine mögliche
Form des Gußstahl elementes 1 in der Seitenansicht Fig.ld den Querschnitt S-S durch
das Gußstahlbauelement 1 aus Fig.lc mit Spannglied 7 im Untergurt 3 und Verbindungsbolzen
8 zwischen den Elementen 1 im Obergurt 2 Fig.1e einen Längsschnitt durch zwei Gußstahlbauelemente
1 bei dem Elementenstoß 4 in der auch die Stahlhülse 9 zur Zwangsführung des Spanngliedes
7 und zur Querkraftsicherung erkennbar ist.
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Es zeigen auf Blatt 2: Fig.2a die Ansicht eines Masten aus Gußstahlbauelementen
10 mit gekrümmt sich verjüngendem Verlauf, den Vertikal stäben 11, den Elementenstößen
12 Fig.2b die Ansicht auf ein einzelnes Gußstahlbauelement mit Vertikal stäben 11
und Stegen 13 Fig.2c den Querschnitt S-S durch den Masten mit Darstellung der drei
Zugglieder 14 jeweils in den Hohlräumen der Vertikal stäbe 11 Fig. 2d den Längsschnitt
durch zwei Gußstahlelemente 10 beim Elementenstoß 12 mit der Stahlhülse 15 zur Zwangsführung
der Spannglieder 14 und zur Querkraftsicherung.
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Es zeigen auf Blatt 3: Fig.3a den Grundrißausschnitt einer Gewölbeschale
aus kassettenartigen Gußstahlbauelementen 16 und die Elementenstöße 17 Fig.3b den
Querschnitt durch den Schalenausschnitt mit den sich in zwei Ebenen kreuzenden Untergurten
18 und 19 und den Kreuzungspunkten 20 der Obergurte 21 Fig.3c in anderem Maßstab
die Ansicht eines Gußstahleinzel elementes 21 mit den Zuggliedern 22 Fig.3d den
Schnitt S-S durch dasselbe Element nach Fig.3c mit den Zuggliedern 23, den Stahlhülsen
24 zur Zwangsführung der Zugglieder und den Verbindungsbolzen 25 im Obergurt 21
Es zeigen auf Blatt 4: Fig.4a ein gemauertes Gewölbe 26,dessen Widerlager 27 gesichert
werden sollen.
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Ein Tragwerk aus Gußstahlbauelementen 28 ist über den Auflagern 29
im erfo.rderlichen Abstand 30 zum Mauergewölbe errichtet. An den abzustützenden
Stellen z.B. an den Widerlagern 27 ist ein Druckverteilungselement 31 angeordnet
(z.B. Stahlbetonbalken oder Stahlträger mit Mörtelhinterfüllung).
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Die Spannglieder 32 des erfindungsgemäßen Tragwerkes verlaufen zwangsgeführt
im Untergurt 33. Die Spannenden 34 der Spannglieder 32 sind an den Tragwerksenden
angeordnet.
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Durch dosiertes Aufbringen der Vorspannung wird der beabsichtigte
horizontale Stützdruck erzeugt.
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Fig.4b die gleiche Tragwerksanordnung wie in Fig.4a, jedoch liegen
hier die Spannenden 35 der Zugglieder an anderer Stelle, innerhalb des Tragwerkes,
z.B. wie hier, am Bogenscheitel.
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Es zeigen auf Blatt 5 Fig.5a einen Schiffsspanten,de+en von außen
wirkenden veränderlichen Wasserdruck und auch Lasten von innen aufzunehmen hat.
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Er besteht aus einzelnen Gußstahlbauelementen 36 und den an der Tragwerksaußenseite
zwangsgeführten Spanngliedern 37. Die Spannenden 38 sind an den Tragwerksenden angeordnet.
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Zur Aufnahme der Lasten von innen sind an der Tragwerksinnenseite
ebenfalls Zugglieder 39 angeordnet mit den Spannenden 40.
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Fig.5b die gleiche Tragwerksanordnung wie in Fig.5a, jedoch liegen
hier die äußeren Spannenden 41 und die inneren Spannenden 42 an anderer Stelle des
Tragwerkes z.B. wie hier am Schiffskiel.