DE3735318A1

DE3735318A1 - Vorrichtung zur energierueckgewinnung bei tragwerken mit aktiver verformungskontrolle

Info

Publication number: DE3735318A1
Application number: DE19873735318
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Ing Domke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1989-05-03
Also published as: DE3735318C2

Description

Zweck der Erfindung

Bei der Aktiven Verformungskontrolle von seilunterspannten Tragwerken werden zwischen Seil und Träger aktiv veränderbare Kopplungsglieder eingebaut, die automatisch so gesteuert werden, daß bei veränderlicher Belastung des Trägers alle Kräfte auf das Stützseil übertragen werden, ohne daß der Träger selbst eine Durchbiegung erfährt. Diese Kopplungsglieder bestehen aus hydraulischen oder pneumatischen Antrieben, deren Energieverbrauch von der Größe der zu übertragenden Last, der Nachgiebigkeit des Stützseils und der Lastwechselgeschwindigkeit abhängig ist.

Nach der Erfindung werden diese Antriebe so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als Energiespeicher dienen, deren Speicherdruck mit abnehmender Seilgegenkraft zunimmt. Damit ist es möglich, die ursprünglich für den Antrieb aufgewendete Energie bei der Entlastung des Stützseils theoretisch vollständig in Speicherenergie zurückzuverwandeln.

Beschreibung der Erfindung

Im Gegensatz zu den bisherigen, nur passiv auf Belastung reagierenden seilunterspannten Tragwerken (z. B. Spannbetontragwerke), stellen sich aktiv reagierende automatisch auf die jeweilige Belastung so ein, daß der Trägerquerschnitt immer gleichmäßig beansprucht wird.

Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen Träger und Stützseil aktiv veränderbare Kopplungsglieder eingebaut sind. Diese Kopplungsglieder werden automatisch so gesteuert, daß der Träger biegefrei bleibt. Dadurch verändert sich das ursprüngliche Biegetragwerk in ein reines Seiltragwerk, dessen Rückverankerungskräfte durch den biegefreien Trägerquerschnitt aufgenommen werden. Diese Rückverankerungskräfte können im Gegensatz zum passiv wirkenden Spannbetonträger, der gleichzeitig noch Biegebeanspruchungen aufnehmen muß, bei gleichem Querschnitt erheblich größer sein. Die damit mögliche Vergrößerung der Seilkraft erlaubt mindestens eine Verdoppelung der Nutzlast oder eine Erhöhung der Stützweite ohne Überschreitung der zulässigen Beanspruchung des Baustoffes.

Dieses vom Antragsteller entwickelte neue Konstruktionsprinzip ist in den beigefügten Veröffentlichungen dargestellt (1 und 2).

Bei einem normalen Biegetragwerk, das sich unter Belastung durchbiegt, wird die dabei geleistete Formänderungsarbeit elastisch gespeichert. Nach Entlastung des Trägers drückt diese gespeicherte Energie den Träger in den ursprünglichen Zustand zurück.

Dagegen ist bisher kein wirkungsvolles Verfahren bekannt, die durch die aktiven Kopplungsglieder auf das Stützseil übertragene Formänderungsarbeit möglichst vollständig zurückzugewinnen. Das liegt daran, daß die hydraulisch oder pneumatisch auf das Stützseil zu übertragende Formänderungsarbeit vor Beginn der Seildehnung in voller Höhe gespeichert sein muß. Mit wachsendem Seilstich nimmt der Speicherdruck dann zwangsläufig ab und erreicht seinen Kleinstwert bei höchster Belastung. Da zur Wiedergewinnung dieser Arbeit ein ständig wachsender Druck notwendig ist, sich der Seilgegendruck mit abnehmendem Seilstich jedoch stetig verringert, konnte das Problem bisher in einfacher Weise nicht gelöst werden.

Eine solche Lösung ist jedoch durch eine Anordnung möglich, wie sie in den Bildern 1 und 2 dargestellt ist. Danach bestehen die Kopplungsglieder aus zwei mit den Enden ihrer Kolbenstangen beweglich miteinander verbundenen Zylinder, die so gegen das Bauwerk abgestützt sind, daß sie sich um einen Winkel zwischen 5 und 45° gegen die Waagerechte verdrehen können. Am Verbindungsgelenk der Kolbenstangen ist diese Vorrichtung fest mit dem Tragseil verbunden.

Wie erkenntlich, nimmt der resultierende Druck auf das Seil mit wachsendem Winkel d mit dem Sinus dieses Winkels zu. Gleichzeitig aber nimmt durch die Expansion des gespeicherten Gases die von den Zylindern erzeugte Kraft mit dem Kosinus dieses Winkels ab, wenn die Speicherraumkapazität im Verhältnis zum Hubraum mit 1 angesetzt wird.

Diese Wirkungsweise wird dargestellt durch die Formel

darin bedeuten
P _A resultierende Kraft der Speicherzylinder auf das Tragseil,
P _o größte Kraft in den Speicherzylindern,
ϕ Neigungswinkel der Speicherzylinder gegen die Horizontale,
H Hubraum der Speicherzylinder,
S _p = 1 Speicherraum bei höchstem Speicherdruck.

Ändert sich der Speicherraum im Verhältnis zum Hubraum, so muß in der obigen Formel der Wert cos ϕ durch den Wert cos ϕ* ersetzt werden. Es ist dann:

Darin zeigt η an, um wieviel größer oder kleiner der Speicherraum gegenüber 1 ist (Tabelle 1-3).

Aus dem folgenden Diagramm ist ersichtlich, wie die Kräfte P _A mit wachsendem Winkel ϕ zunehmen. Die Zunahme endet bei einem Speicherraum von 1 bei einem Winkel ϕ von 45° und nimmt dann bei weiterer Neigung sehr langsam ab. Dieser Wendepunkt kann durch Vergrößerung des Speicherraumes auf das Doppelte bis zu einem Neigungswinkel von 50° verschoben werden.

Der entscheidende Vorteil dieser Vorrichtung ist es nun, daß sie sich durch Variation des Speicherdrucks, des Speicherraumes im Verhältnis zum Hubraum und durch Auswahl des kinematisch günstigsten Bereiches so an die Reaktionen des Seiles anpassen läßt, daß bei jedem beliebigen Seilstich die resultierende Gegenkraft mit der Reaktionskraft des Seiles übereinstimmt. Die Vorrichtung läßt sich dann theoretisch ohne zusätzlichen Energieaufwand in die jeweils gewünschte Position verschieben.

Als weiterer Vorteil der Konzeption ist anzusehen, daß es ein geschlossenes System ohne Ventile oder sonstige Strömungsengpässe ist und ohne Kompressionsverluste arbeitet.

Die zur Verschiebung der beschriebenen Vorrichtung notwendige aktive Anlage besteht aus einem dritten Hilfszylinder, der mit dem Verbindungsgelenk der beiden Speicherzylinder verbunden ist. Er wird so gesteuert, wie dies in den Anlagen (1) u. (2) beschrieben ist. Er wird so bemessen, daß sie Reibungsverluste und Trägheitswiderstände der Vorrichtung auch Störungen des beschriebenen Gleichgewichtes ausgleichen kann. Der Gesamtenergieaufwand für die Aktive Verformungskontrolle von Tragwerken wird durch den beschriebenen Kraftverstärker um mindestens eine Größenordnung verringert.

Eine nach dem gleichen Prinzip funktionierende Alternative der beschriebenen Vorrichtung ist auf den Bildern 4 und 5 dargestellt. Ihre Funktionsweise ist analog zu der oben beschriebenen ohne weitere Beschreibung verständlich.

Anlagen

(1) Domke, H., Leistungssteigerung von Biegetragwerken durch Aktive Verformungskontrolle, Bauingenieur 59 (1984)
(2) Domke, H., Neue Möglichkeiten in der konstruktiven Gestaltung von Bauwerken, Westdeutscher Verlag, 1984

Tabelle 1: Hilfsgröße H in Abhängigkeit vom Anstellwinkel

P _A = 2 · P₀ · sinϕ · cosd*
η = S _P*/S _{P 1}
cos ϕ* = 1/(1+H/η)

Tabelle 2: Resultierende Kraft P _A in Abhängigkeit vom Anstellwinkel für η=1 und h=0,6

Tabelle 3: Resultierende Kraft P _A in Abhängigkeit vom Anstellwinkel für h=1,5 und η=3

Claims

1. Kinematisch veränderbare Vorrichtung, mit deren Hilfe abnehmende Kräfte in wachsenden Speicherdruck verwandelt werden können.

2. Variationsmöglichkeiten der Einzelelemente dieser Vorrichtung, durch die für jeden Seilstich die Widerstandskräfte des Seiles mit den wirksamen Gegenkräften der Vorrichtung ins Gleichgewicht gebracht werden können.

3. Automatische aktive Verschiebung der Vorrichtung jeweils in die Position, bei der der Träger biegefrei bleibt.

4. Begrenzung der Leistungsfähigkeit des aktiven Verschiebungselementes auf die Überwindung von Reibungs- und Trägheitswiderständen oder Störungen des labilen Gleichgewichtes der Vorrichtung.

5. Automatischer Ausgleich von Energieverlust in den Speichern infolge Undichtigkeiten aus der Druckversorgung des aktiven Steuerkolbens.