DK201300128Y4 - Light-weight load-bearing structure - Google Patents

Abstract

En belastningsbærende letvægtsstruktur, egnet til at indgå i fx. bygningstage, og omfattende en øvre betondel og en nedre betondel, hvor den øvre betondel er støbt af beton af højere styrke oven på den øvre overflade af den nedre betondel (1), hvor den nedre betondel er støbt af mindre stærk beton, hvilken øvre overflade omfatter partier som definerer højninger (H) med en lavning (L) mellem højningerne (H), idet den øvre del danner trykbuer ved at have et tværsnit som tiltager fra højningerne (H) mod lavningen (L).

Description

i DK 2013 00128 Y4

Belastningsbærende letvægtsstruktur

Opfindelsen angår belastningsbærende letvægtsstrukturer.

Minimalstrukturer har hidtil fundet anvendelse i forbindelse med store broer, men de har vist sig at være bekostelige og derfor uanvendelige som reelle minimalstrukturer til brug for middelstore og små strukturer, således som disse forefindes i bygninger og haller.

Forskellige løsninger til at etablere bygningsstrukturer med høj styrke og lav vægt har været afprøvet gennem over tiden.

Én velkendt metode er at armere beton ved at anvende stænger, wirer eller stålprofiler til optagelse af trækkræfter og forskydningskræfter i armerede betonstrukturer.

En anden metode er at sammensætte varmtvalsede stålprofiler og beton for at danne kompositstrukturer, eller at danne "sandwich-plader" med stålarmering i lag med træk, eller med stålplader der udgør træklagene.

Disse metoder beskæftiger sig med anvendelse af armeringsstænger eller -profiler i trækzonerne i elementer af armeret beton.

Profilerne er imidlertid lige eller plane og ingen af disse metoder tillader et optimalt design af trykzonerne.

Det er også muligt at anvende højstyrkebeton. Men de tværsnitsområder af højstyrkebetonen, der er under tryk må være store og derfor tunge for at være stabile.

En søjle af høj styrke beton vil have en tendens til at bøje ud ("buckle") til siderne, når der påføres en belastning på søjlernes ender, med mindre søjlens tværsnit er relativt stort.

Når en sådan søjle presses sammen ved påføring af en trykkraft på enderne vil der ske en bevægelse af søjlen på tværs af søjlens længderetning. Hvis denne tværrettede bevægelse af en sådan søjle vokser vil den få betydning for søjlens stabilitet.

En anden ulempe ved at benytte højstyrkebeton er, at der er en tendens til såkaldt "spalling" når temperaturen når 374°C.

Minimalstrukturer benyttes også i forbindelse med broer med trykbuer fremstillet under brug af bekostelige forskallinger som følger momentkurverne og hvor belastningen påføres af trækstænger under buen eller overliggende søjler.

2 DK 2013 00128 Y4

Forspændte betonstrukturer anvendes i forbindelse med for eksempel TT-bjælker til store spænd i præfabrikerede haller til industri eller handel. Disse bjælker er ikke optimale. Super Lette Strukturer kan forbedre ydeevnen betragteligt fsv. angår dimensionering af strukturen og længden af den belastningsbærende strukturs frie spænd.

Der kendes forspændte betonstrukturer, hvor forløbet af forspændingskablerne følger belastningsvariationen.

Fra WO 88/08907 Al kendes et konstruktionselement, der udviser et stangelement af højstyrke beton eller af et keramisk materiale, hvilket materiale støbes omkring en forspændt wire eller stang, mens wiren eller stangen er forspændt. Stangelementet støbes kontinuerligt på en produktionslinie, så den sædvanligvis er 60 m lang. Efter støbningen af stangelementet afskæres den forspændte wire eller stang og der påføres et tryk på det lige stangelement. Stangelementets beton komprimeres derved ved forspændingen. Her optimeres trækzonen, men ikke trykzonen. Trykzonen mindskes ved hjælp af forspændingen, hvilket betyder at hele tværsnittet er komprimeret og derfor urevnet, og derved bidrager til stivheden og stabiliseringen. Men trykzonen stabiliserer fortsat sig selv.

Disse ulemper elimineres med en letvægts belastningsbærende struktur med en optimeret trykzone ifølge opfindelsen som angivet i kravene. Ved opfindelsen tilvejebringes stabilitet af det lette materiale omkring trykzonen og trykzonen er yderligere derved beskyttet af det lette materiale.

Ved opfindelsen ifølge kravene bliver det muligt at støbe en belastningsbærende letvægtsstruktur med en optimeret form af trykzonen.

Dette opnås ved opfindelsen ved en belastningsbærende letvægtsstruktur, egnet til at indgå i fx. bygningstage og omfattende en øvre betondel og en nedre betondel, hvor den øvre betondel er støbt af beton af højere styrke oven på den øvre overflade af den nedre betondel, hvor den nedre betondel er støbt af mindre stærk beton, idet den nævnte øvre overflade omfatter partier som definerer højninger med en lavning mellem højningerne, hvorved den øvre del danner trykbuer ved at have et tværsnit som tiltager fra højningerne mod lavningerne; herved har man gentænkt den belastningsbærende struktur som et stærkt skelet i et blødt materiale, hvor skelettet placeret i en eller flere trykzoner omfatter et materiale af egnet trykstyrke, såsom en højstyrkebeton, og opnås desuden ved opfindelsen med en kerne af stærk beton langs en eller flere trykzoner, i strukturen som støbes, om hvilken kerne der er beton af en mindre styrke i forhold styrken af kernen.

3 DK 2013 00128 Y4

Ved en udførelsesform for en letvægts belastningsbærende struktur kombineres en eller flere støbte trykzoner med kerner af stærk beton i trykzoner med armering i trækzoner.

Armeringen i trækzoner kan desuden være tilvejebragt ved egnede dele, 5 såsom reb, wirer, plader, net, fibre, tekstiler, stænger eller stangelementer af egnede materialer som stål, kulfibre, glas, polypropylenfibre, eller produkter af plast-, metal- eller organiske fibre.

Ved en yderligere udførelsesform forbindes trykzonerne i strukturens indre for dannelse af en endnu stærkere og/eller lettere struktur.

10 Det er derved muligt at kombinere en eller flere trykzoner og en eller flere trækzoner for dannelse af et gitter eller en belastningsbærende del af et strukturelt element.

Det er endvidere muligt at forbinde trykzonerne med trækzoner i andre strukturelementer med trækzoner.

15 Ved en anden udførelsesform tilvejebringes en eller flere trykzoner med et tværsnit, der tiltager mod steder hvor kræfterne udveksles med andre trykeller trækzoner.

Derved opnås en hensigtsmæssigt udførelsesform for en kerne dannende trykzonen og hensigtsmæssige overgange mellem trykzonerne (hvilket giver 20 anledning ti! en reduktion af kontaktspændingerne), tryk- og trækzoner (hvilket forbedrer forankringen) eller mellem sådanne zoner i strukturelle elementer eller dele, der forbindes med hinanden.

Ved en yderligere udførelsesform tilvejebringes en eller flere trykzoner med et tværsnit der tiltager mod mindst en ende.

25 Ved en yderligere udførelsesform forbindes trykzonernes forøgede tværsnit, eksempelvis enderne, ved samlinger eller i segmenter.

Den belastningsbærende struktur kan fremstilles ved at danne en art rende, fordybning, kanal eller lignende ved anvendelse af et rør, en slange eller lignende som en form.

30 En rende, fordybning, kanal, slange eller lignende kan placeres i en form til en belastningsbærende struktur.

Renden, fordybningen, kanalen, siangen, røret eller lignende placeres dér hvor der er brug for at koncentrere trykket, eksempelvis i en trykbue.

Formen udstøbes derefter med et iet materiale, eksempelvis en beton med et 35 let tilslag. Trykzonen udstøbes derefter med en stærkere beton, eksempelvis en selvkompakterende højstyrkebeton.

4 DK 2013 00128 Y4

Stærk beton er enhver beton, der er stærkere end det lette materiale, og som kan dannes på flere forskellige måder, og opfindelsen er ikke begrænset til en enkelt type stærk beton. Som et eksempel kan der benyttes højstyrkebeton fremstillet ved tilsætning af finkornede partikler til betonen. Det er også 5 muligt at tilsætte additiver til den stærke beton og/eller det lette materiale, herunder kan der bruges superplastificerende additiver eller materialer til at opnå højstyrke-egenskaber og/eller forbedret bearbejdelighed, såsom selvkompakterende egenskaber.

Ved at udstøbe trykzonerne er det muligt at give dem optimale former og 10 udlægninger, der følger det aktuelle kraftforløb, og det er muligt at stabilisere trykzonerne i forhold til udbøjning og "buckling", hvorved disse ikke behøver at være større end påkrævet for at tværsnittet kan optage belastningen uden at blive forøget af hensyn til bøjningsstivheden.

Dette opnås yderligere med letvægts belastningsbærende strukturer med 15 optimeret trykzone, hvor en eller flere render, fordybninger, kanaler, rør og/eller slanger dannet i den belastningsbærende struktur tjener som forme til at forme en eller flere kerner af stærk beton i den belastningsbærende struktur af let vægt.

Ved en anden belastningsbærende letvægtsstruktur med optimeret trykzone 20 er en kerne af stærk beton langs en eller flere trykzoner i strukturen omgivet af beton af mindre styrke sammenholdt med kernen af stærk beton.

Trykzonerne dannet af den stærke beton kan være udstøbt i en form og senere være transporteret til byggestedet, hvor den større belastningsbærende skal fremstilles. På stedet placeres elementet eller 25 elementerne af stærk beton i en form og derpå dannes den belastningsbærende struktur udstøbt med let materiale, hvorved elementet eller elementerne af stærk beton er fuldstændigt eller delvist omgivet af let materiale.

Opfindelsen gør det muligt at give strukturen en udvendig form, der 30 understøtter anvendelserne eller bygningsstrukturerne, så belastningen kan blive påført, og giver mulighed for at strukturen kan indgå i tage og vægge.

Opfindelsen gør det muligt at beskytte trykzonerne mod mekaniske påvirkninger.

Opfindelsen gør det muligt at beskytte trykzonerne mod brand. Brand er et 35 særligt problem for højstyrke beton, fordi man har iagttaget en risiko for eksplosiv "spalling"/afskalning samt flere alvorlige skader ved strukturer af højstyrkebeton udsat for "spalling". "Spalling" er i dag en væsentlig hindring for anvendelsen af højstyrkebeton. Ved opfindelsen kan der i stedet benyttes almindelig porøs beton, men højstyrkebeton vil være gavnlig, og 5 DK 2013 00128 Y4 undersøgelserne viser løsning af "spalling"-prob!emet ved at sikre at betonen ikke opvarmes over den kritiske vandtemperatur på 374°C, hvor "spalling" finder sted. Dette opnås ved at højstyrkebetonen er indlagt i den lette beton i den belastningsbærende letvægtsstruktur, hvor det lette materiale giver en 5 varmeisolerende effekt på den belastningsbærende struktur.

For at danne den belastningsbærende letvægtsstruktur placeres en rende, slange, kanal, et rør, eller en fordybning i en form til den belastningsbærende struktur for at koncentrere trykket, eksempelvis i en trykbue. Formen udstøbes med et let materiale, eksempelvis beton med et let tilslag.

10 Trykzonen udstøbes derefter med et materiale med en egnet høj styrke, eksempelvis en selvkompakterende højstyrkebeton.

Derved opnår man at mængden af stærke og ofte tunge materialer til trykzonerne kan minimeres, fordi det lette materiale kan bidrage til: - at gøre det muligt at bibringe trykzonerne optimale former og forløb, 15 - at stabilisere trykzoner i forhold til udbøjning og "buekling", - at kombinere trykzoner med andre dele, herunder eventuelle trækzoner, - at give strukturen en udvendig form som understøtter anvendelsen, - at beskytte trykzoner mod mekaniske påvirkninger, og 20 - at beskytte trykzoner mod brand.

Materialerne til trykzonerne er ofte 3-5 gange tungere og 3-10 gange stærkere end de lette materialer. Ved udnyttelse af princippet bliver det derved muligt at skabe strukturer, der er 2-4 gange lettere end traditionelle støbte strukturer.

25 Derved muliggøres lange spænd og søjleafstande.

Minimalstrukturer, hvor beliggenheden af tryk- og trækzonerne er optimeret i forhold til belastningen, har hidtil været vanskelige og ofte umulige at tilvejebringe, fordi de nævnte funktionskrav ikke kan opfyldes i praksis, navnlig ved små og mellemstore strukturer.

30 Denne teknologi kan gøre minimalstrukturer anvendelse til bygninger.

Denne teknologi kan gøre højstyrkebeton anvendelig til bygninger.

Teknologien kan også gøre højstyrkebeton anvendelig til flydende strukturer, såsom skibe, pramme, off-shore strukturer, og flydende fundamenter, der udgør særlige anvendelsesområder for beton og forspændte betonstrukturer.

6 DK 2013 00128 Y4

Belastningsbærende Ietvægtsstrukturer, hvor forløbet af trykzonerne ifølge opfindelsen er optimeret, kan forbedre designet af sådanne strukturer, hvilket letter fremstillingen, sparer ressourcer til produktionen og anvendelsen, samt forbedrer strukturernes ydeevne.

Ved en anden udførelsesform for opfindelsen kan trykzonerne, repræsenteret ved de udstøbte zoner af stærk beton, gives et større tværsnit dér hvor der er forbindelse med andre tryk- eller trækzoner eller etableres forbindelser eller segmenter.

Ved sammenstilling af én eller flere af de førnævnte udførelsesformer er det muligt at tilføje forskellige elementer til den lette beton og/eller til den stærke beton, for at opnå en passende støbetekstur eller en art trækarmering.

Sådanne elementer kan være reb, wirer, plader, gitre, fibre, tekstiler, stænger eller stangelementer af egnede materialer, såsom stål, kulfibre, glas, polypropylenfibre, stenuldsfibre, eller produkter af plast, metaller, keramik, porcelæn, glas, sten eller organiske fibre.

Det vil selvklart være muligt at anvende andre egnede materialer, og opfindelsen er ikke begrænset til anvendelsen af de ovenfor nævnte elementer.

Billedligt talt er det muligt at sammenligne opfindelsen med et menneskes eller dyrs legeme, hvor den stærke beton danner et slags skelet sammenholdt med menneskets eller dyrets skelet, og hvor den belastningsbærende letvægtsstruktur og eventuel trækarmering udgør musklerne og senerne som holder "skelettet" på plads og udgør en optimal og elegant bygningsstruktur.

I det følgende vil udførelsesformer for opfindelsen blive beskrevet under henvisning til tegningen, hvor

Figur 1 viser en form til en simpel bjælke med en kanal til at støbe en trykzone som en trykbue,

Figur 2 viser en simple letvægtsbjælke af beton, med trækarmering og kanal til støbning af en trykzone som en trykbue,

Figur 3 viser en simpel letvægtsbjælke af beton med trækarmering og en trykzone af stærk beton støbt som en trykbue, hvor bjælken er belastet med en jævnt fordelt belastning og reaktioner,

Figur 4 viser en bjælke med flere støbte trykbuer bøjler og trækarmering,

Figur 5 viser en bjælke med en koncentreret central støbt trykbue og bøjler og trækarmering, 7 DK 2013 00128 Y4

Figur 6 viser et eksempel på udformning af en hal med bjælker der spænder 60 m mellem søjler,

Figur 7 viser eksisterende elementer som tillader et maksimalt spænd på 30 m, tegnet i same målestok som figur 6, 5 Figur 8 viser en mulig form af en bjælke ifølge en udførelsesform for opfindelsen, med en støbt stærk trykbue i en fordybning, og

Figur 9 viser en mulig udvendig form af en udliggerbjælke ifølge en udførelsesform for opfindelsen, med støbte trykbuer i fordybninger understøttet af en søjle med to støbte trykbuer i kanaler.

10 Forskellige udførelsesformer for opfindelsen vil blive beskrevet i nærmere detaljer i det følgende. Belastningsbærende letvægtsstrukturer 1 udgør elementer i byggeindustrien, og ved at optimere en trykzone 2 i den belastningsbærende struktur 1 er det muligt at fremstille belastningsbærende letvægtsstrukturer 1 med et stort spænd.

15 Med opfindelsen er det muligt at tilvejebringe en belastningsbærende letvægtsstruktur 1 med en optimeret trykzone 2.

Opfindelsen muliggør støbning af en let belastningsbærende struktur 1 med en optimeret form af trykzonen 2, hvorved man danner den udstøbte form som en art skelet som følger det naturlige forløb af strukturens trykbaner.

20 Dette opnås ved at man har gentænkt den belastningsbærende struktur 1 som et stærkt skelet i et blødt materiale, hvor skelettet placeret i en eller flere trykzoner omfatter et materiale af egnet trykstyrke, såsom en højstyrkebeton, og opnås desuden ved hjælp af en kerne 3 af stærk beton langs en eller flere trykzoner 2, i strukturen 1 som støbes, om hvilken kerne 2 der er beton af 25 lavere styrke i forhold til styrken af kernen 3.

En belastningsbærende letvægtsstruktur ifølge opfindelsen har en øvre betondel og en nedre betondel, hvor den øvre betondel er støbt af beton af højere styrke oven på den øvre overflade af den nedre betondel 1 (fig. 8, 9), hvor den nedre betondel er støbt af mindre stærk beton. Den øvre overflade 30 omfatter partier som definerer højninger H (fig. 6) med en lavning L mellem højningerne H, idet den øvre del danner trykbuer ved at have et tværsnit som tiltager fra højningerne H mod lavningen L mellem højningerne H. Tværsnittet kan tiltage jævnt fra højningerne H.

Den belastningsbærende struktur 1 kan fremstilles ved at danne en art rende, 35 fordybning, kanal eller lignende 5 ved anvendelse af et rør, en slange eller lignende som en form.

8 DK 2013 00128 Y4

En rende, fordybning, kanal, slange eller lignende 5 kan placeres i en form til en belastningsbærende struktur.

Renden, fordybningen, kanalen, slangen, røret eller lignende 5 placeres dér hvor der er brug for at koncentrere trykket, eksempelvis i en trykbue 2.

5 Formen udstøbes derefter med et let materiale, eksempelvis en beton med et let tilslag. Trykzonen 2 udstøbes derefter med en stærkere beton, eksempelvis en selvkompakterende højstyrkebeton.

Herved er det muligt at give trykzonerne 2 optimale former og forløb, der følger det aktuelle kraftforløb, og det er muligt at stabilisere trykzonerne 2 i 10 forhold til udbøjning og "buekling", hvorved disse ikke behøver at være større end påkrævet for at tværsnittet kan optage belastningen uden at blive forøget af hensyn til bøjningsstivheden.

Dette opnås yderligere med belastningsbærende letvægtsstrukturer 1 med optimeret trykzone 2, hvor en eller flere render, fordybninger, kanaler, rør 15 og/eller slanger 5 dannet i den belastningsbærende struktur tjener som forme til at forme en eller flere kerner 3 af stærk beton i den belastningsbærende letvægtsstruktur 1.

Ved en anden belastningsbærende letvægtsstruktur 1 med optimeret trykzone 2 er en kerne 3 af stærk beton langs en eller flere trykzoner 2 omgivet af 20 beton af mindre styrke 4 sammenholdt med kernen 3 af stærk beton.

Ved en anden udførelsesform for opfindelsen kombineres den stærke beton i trykzonerne 2 med armering i trækzonerne 6.

Armeringen i trækzoner 6 kan desuden ved en udførelsesform være tilvejebragt af reb, wirer, plader, net, fibre, tekstiler, stænger eller 25 stangelementer af egnede materialer som stål, kulfibre, glas, polypropylenfibre, eller produkter af plast-, metal- eller organiske fibre.

Det er muligt at sammensætte trykzoner 2 med trykzoner 2 i andre dele, eventuelt ved også at inkludere eventuelle trækzoner 6, så der sammensættes en eller flere trykzoner 2 og en eller flere trækzoner 6 for dannelse af et gitter 30 eller en belastningsbærende del af et strukturelt element.

Det er muligt at sammensætte tryk- eller trækzoner 2, 6 med tryk- eller trækzoner 2, 6 i andre strukturelementer via samlinger.

En eller flere trykzoner 2 kan være udformet med et tværsnit, der tiltager mod enderne eller mod steder, hvor kræfterne udveksles mellem trykzoner 2 eller 35 mellem tryk- og trækzoner 2, 6. Derved opnås en hensigtsmæssigt udførelsesform for en kerne 3 dannende trykzonen 2 og hensigtsmæssige overgange mellem trykzoner 2 (hvilket giver anledning til en reduktion af 9 DK 2013 00128 Y4 kontaktspændingerne), tryk- og trækzoner 2, 6 (hvilket forbedrer forankringen), eller mellem sådanne zoner i strukturelle elementer eller dele, der forbindes med hinanden.

Enderne af trykzonerne 2 kan være forbundet i samlinger eller segmenter.

5 Opfindelsen gør det muligt at give strukturen 1 en udvendig form der understøtter anvendelsen eller bygningsstrukturerne, så belastningen kan blive påført, og giver mulighed for at strukturen 1 kan indgå i tage og vægge.

En rende, slange, kanal, et rør, eller en fordybning kan placeres i en form til en belastningsbærende struktur for at koncentrere trykket, eksempelvis i en 10 trykbue 2. Formen udstøbes med et let materiale 4, eksempelvis en beton med et let tilslag. Trykzonen 2 udstøbes derefter med et materiale med passende trykstyrke, eksempelvis en selvkompakterende højstyrkebeton.

Materialerne til trykzonerne 2 er ofte 3-5 gange tungere og 3-10 gange stærkere end de lette materialer 4. Ved udnyttelse af princippet bliver det 15 derved muligt at skabe strukturer, der er 2-4 gange lettere end traditionelle støbte strukturer.

Derved muliggøres iange spænd og afstande mellem søjler 7.

Figur 6 viser et eksempel på en struktur med et stort spænd og dermed store afstande mellem søjler 7, sammenlignet med den struktur, der er vist i figur 20 7, der repræsenterer en kendt struktur som udviser et spænd på halvdelen af spændet opnået ved hjælp af den belastningsbærende letvægtsstruktur 1 ifølge en eller flere udførelsesformer for opfindelsen.

Ved andre udføreisesformer for opfindelsen kan trykzoneme 2 repræsenteret af de udstøbte zoner af stærk beton 3 have et større tværsnit hvor de er 25 forbundet med andre tryk- eller trækzoner 2, 6 eller hvor de danner samlinger eller segmenter.

Ved sammenstilling af én eller flere af de fornævnte udførelsesformer er det muligt at tilføje forskellige elementer til betonen for at opnå en passende støbetekstur eller en art trækarmering.

30 Sådanne elementer kan være reb, wirer, plader, gitre, fibre, tekstiler, stænger eller stangelementer af egnede materialer, såsom stål, kulfibre, glas, polypropylenfibre, eller produkter af plast, metaller eller organiske fibre.

Det vil selvklart være muligt at anvende andre egnede materialer, og opfindelsen er ikke begrænset til anvendelsen af de ovenfor nævnte 35 elementer.

Claims (8)

1. En belastningsbærende letvægtsstruktur, egnet til at indgå i fx. bygningstage, og omfattende en øvre betondel og en nedre betondel, hvor den øvre betondel er støbt af beton af højere styrke oven på den øvre overflade af den nedre betondel (1), hvor den nedre betondel er støbt af mindre stærk beton, hvilken øvre overflade omfatter partier som definerer højninger (H) med en lavning (L) mellem højningerne (H), idet den øvre del danner trykbuer ved at have et tværsnit som tiltager fra højningerne (H) mod lavningen (L).

2. Strukturen ifølge krav 1, hvilken struktur udviser en flerhed af de nævnte højninger (H) og lavninger (L) mellem højningerne (H), for dannelser af en flerhed af de nævnte trykbuer i indbyrdes forlængelse,

3. Strukturen ifølge krav 1 eller 2, hvor den mindre stærke beton er beton med et let tilslag.

4. Strukturen ifølge et hvilket som helst af krav 1-3, hvor den øvre del har en flad eller i det væsentlige flad øvre overflade.

5. Strukturen ifølge et hvilket som helst af krav 1-4, hvor den øvre betondel af højere styrke har en tendens til "spalling" når temperaturen når 374°C.

6. Strukturen ifølge et hvilket som helst af krav 1-5, hvor betonen af højere styrke er 3-5 gange tungere.

7. Strukturen ifølge et hvilket som helst af krav 1-6, hvor betonen af højere styrke er 3-10 gange stærkere end den mindre stærke beton.

8. Strukturen ifølge et hvilket som helst af krav 1-7, hvor tværsnittet tiltager jævnt, fra højningerne (H),