EP0310588A2 - Einlagiges, polygonal gekrümmtes Stabtragwerk - Google Patents

Abstract

Bei einem aus Tragwerkstäben (1) bestehenden Stabtragwerk, das in wenigstens einer Richtung polygonal gekrümmt ist, werden zur Erhöhung der Formstabilität des Stabtragwerkes trotz geringer Biegesteifigkeit der Tragwerkstäbe (1) und der Stabknickpunkte (Knoten 3, 3'), je zwei Stabknickpunkte (3 bzw. 3') miteinander unter Auslassen eines zwischen ihnen liegenden Stabknickpunktes (3' bzw. 3) durch vorgespannte Zugglieder (2, 2', 5) verbunden. Zur Dämpfung von Schwingungen des Stabtragwerkes können den Zuggliedern (2, 2', 5) Feder-Dämpferelemente (4, 6) zugeordnet sein, die zugleich zur Vorspannung der Zugglieder (2, 2', 5) dienen können.

Description

Einlagiges, polygonal gekrümmtes Stabtragwerk
• Die Erfindung betrifft ein einlagiges, polygonal gekrümm­tes Stabtragwerk, bei dem die Knickpunkte der Tragwerk­stäbe unter Auslassen je eines dazwischenliegenden Knick­punktes miteinander über Zugstäbe verbunden sind, und bei dem die dazwischenliegenden Knickpunkte unter Auslassung je eines dazwischenliegenden Knickpunktes miteinander ebenfalls über Zugstäbe verbunden sind. Derartige einla­gige, polygonal gekrümmte Stabtragwerke können für ton­nenförmige, kuppelförmige oder andere zweifach gekrümmte Hallentragwerke verwendet werden.
• Obwohl tonnenförmige und kuppelförmige Tragkonstruktionen seit alters her eine sehr wirtschaftliche Art der Über­deckung sind, da bei gleichmäßiger Belastung und idealer Formgebung nur Druckkräfte in den Tragwerkssystemen auf­treten, kann es durch einseitige Belastung, größere zu­sätzliche Einzellasten oder zeitweilig angreifende Hori­zontallasten aus Wind usw. zu größen Verformungen und zum Einsturz kommen.
• Dem wurde bislang dadurch vorgebeugt, daß Bogenträger ho­her Biegesteifigkeit, gebogene Fachwerke oder zweilagige, gekrümmte Stabwerke eingesetzt wurden, welche zusätzlich zu den Normalkräften in Bogenrichtung auch große Biegemo­mente aufzunehmen im Stande waren, wodurch sich jedoch schwerere und damit unwirtschaftlichere Konstruktionen ergaben.
• Einlagige Stabtragwerke der eingangs genannten Gattung sind aus der DE-OS 2 800 720 und der DE-OS 3 311 397 be­kannt.
• Die aus der DE-OS 33 11 397 bekannte Dachkonstruktion zur Abdeckung von Hallen, Bädern, Kläranlagen u.dgl. zeigt die Spannweite überbrückenden Profile, die an mehreren Punkten gleichsinnig abgewinkelt sind und zwischen den Knickpunkten geradlinig verlaufen. Die Profile sind so nebeneinander angeordnet, daß die Knickpunkte jedes Pro­fils neben dem Mittelbereich zwischen den Knickpunkten der jeweils benachbarten Profile zu liegen kommen. Durch Diagonalstreben in Form von zwei zu einem stumpfen Winkel zusammenstoßenden Schenkeln sind benachbarte Profile mit­einander verbunden, wobei die Scheitelbereiche und Schen­kelenden der Diagonalstreben an den Knickpunkten der Pro­file mit den Profilen verbunden sind. Bezüglich der anei­nandergereihten Diagonalstäbe sind jeweils die "Knick­punkte" (nämlich die Scheitel und Schenkelenden) unter Auslassen je eines dazwischenliegenden Knickpunktes mit­einander durch Stäbe verbunden.
• Die DE-OS 28 00 720 bezieht sich auf eine Fachwerkkon­struktion im Baukastensystem für gewölbte Abdeckungen, die aus einer Vielzahl von dreieckigen Tragwerken mit gekrümmtem Profil, deren netzförmige Schale aus starren dreieckigen und/oder rhombischen Maschen besteht, zusam­mengesetzt ist. Die die Maschen begrenzenden, schrägen stabförmigen Elemente können in schraubenlinienförmig verlaufenden, einander kreuzenden, geodätischen Linien eingeschrieben werden. Aus der DE-OS 28 00 720 sind Ver­stärkungszugstäbe bekannt, die diagonal gegenüberliegende Eckpunkte von rhombischen Maschen miteinander verbinden, wobei die benachbarten Eckpunkte "ausgelassen" werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einlagiges, polygonal gekrümmtes Stabtragwerk für tonnenförmige, kup­pelförmige oder andere zweifach gekrümmte Überdeckungen bereitzustellen, welches trotz eventuell auftretender un­gleichmäßiger Belastungen, zusätzlichen Einzellasten und Horizontallasten aus Wind usw. nur Druckkräfte in seinen Tragstäben erzeugt und trotz geringer Biegesteifigkeit der Stäbe und Gelenke (Knickpunkte) hohe Formstabilität des gesamten Tragwerkes gewährleistet.
• Diese Aufgabe wird bei einem einlagigen, polygonal ge­ krümmten Stabtragwerk dadurch gelöst, daß die die Knick­punkte unter Auslassung je eines dazwischenliegenden Knickpunktes miteinander verbindenden Zugglieder vorge­spannt sind.
• Das erfindungsgemäße Stabtragwerk ist durch die vorge­spannten Zugglieder zwischen jeweils zwei Stabknickpunk­ten unter Überspringen eines dazwischenliegenden Stab­knickpunktes ein steifes Tragwerk, weil eine Vielzahl von vorgespannten Sprengwerken entsteht, die es keinem einzi­gen Knickpunkt erlauben, seine vorbestimmte Lage am theo­retischen Krümmungskreis zu verlassen. Dies wird damit erreicht, daß die nach Montage des Stabwerkes auf die Zugstäbe aufzubringenden Vorspannkräfte so hoch gewählt werden, daß sie in den einzelnen Tragwerksstäben einen Teil oder die gesamten Spannungen (inneren Kräfte), wel­che von den an den Knickpunkten angreifenden äußeren Kräften hervorgerufen werden, schon vorweg ständig er­zeugen und diese Vorspannkräfte erst durch tatsächlich auftretende äußere Kräfte anteilig abgelöst werden, so daß bei tatsächlicher Belastung des Tragwerkes geringere Formänderungen entstehen.
• Zur Erzielung kurzer Knicklängen in Querrichtung der auf Druck beanspruchten Tragwerksstäbe können diese auch rau­tenförmig angeordnet werden. In den Knickpunkten des Tragwerkes entstehen dabei Zusammenführungen von vier bis sechs Stäben. Obgleich diese, bei vier Stäben pro Knick­punkt (Knoten rautenförmigen, bei sechs Stäben pro Knick­punkt (Knoten) dreieckigen, Stabanordnungen bekannt sind, konnten bei einschaligen Stabwerken in den Knotenpunkten (Knickpunkten) keine allzugroßen Lasten aufgelagert wer­den, da ansonsten der dort vorhandene Knick durch Kniehe­belwirkung der angreifenden Kräfte in Kraftrichtung durchschlägt.
• Die erfindungsgemäß vorgesehenen vorgespannten Zugglieder unterspannen jeden durchschlaggefährdeten Knoten durch ihre Anordnung zwischen den benachbarten Knoten (Knick­punkten). Die an die Knoten angreifenden Zugglieder ver­hindern das Ausweichen der Knoten in Knickrichtung. Es entsteht so die erwähnte Vielzahl von vorgespannten Sprengwerken, die es keinem einzigen Knoten erlauben, seine Lage am zugeordneten Krümmungskreis zu verlassen. Die die Knoten verbindenden Zugglieder werden so weit vorgespannt, daß in den Tragstäben ein Teil oder die ge­samten Spannungen (inneren Kräfte), welche von den an den Knickpunkten angreifenden äußeren Kräften (Nutzlasten) hervorgerufen werden, schon vorweg ständig wirken und diese Vorspannkräfte erst durch tatsächlich angreifende äußere Kräfte anteilig abgelöst werden, so daß bei tat­sächlicher Belastung des Tragwerkes geringere Formände­rungen entstehen. Dies erklärt sich dadurch, daß eine an einen Knoten angreifende äußere Kraft die am selben Kno­ten angreifenden Zugglieder entlastet, wodurch die äußere Kraft in den Stäben einen Teil der Wirkung der Vorspann­kräfte übernimmt. Die Formänderung wird gegenüber einem nicht vorgespannten gleichartigen System entsprechend kleiner.
• Durch Anordnung rautenförmig aufgespaltener Zugglieder kann, bei Zwischenschaltung querliegender Druckelemente zum Auseinanderhalten der Aufspaltung, mit kleinen meß-­baren Druckkräften in diesen Druckelementen (z.B. Teller­federpakete) jede beliebig große Vorspannkraft auf ein­fachste Art aufgebracht werden, da sich bei dieser Anord­nung eine hohe Kraftübersetzung ergibt.
• Da leichte Tragwerke über große Spannweiten schwingungs­anfällig sind, können in den Zuggliedern auch Feder-Dämp­ferelemente vorgesehen werden. Durch Einbindung der Fe­der-Dämpferelemente in die aufgespaltenen Zugglieder (querliegende Feder-Dämpferelemente) können schwächere und daher kostengünstigere Feder-Dämpferelemente einge­setzt werden, welche durch die große Übersetzung auch kleinste Verformungen (Schwingungsamplituden), die die örtliche Lage der Knoten und der Knoten zueinander ver­ändern, dämpfen.
• Die Erfindung wird an Hand von schematischen Zeichnungen und an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein kuppelförmiges Tragwerk, Fig. 2 ein tonnenför­miges Tragwerk, Fig. 3 im Schnitt ein Tragwerk aus Fig. 1 oder 2, Fig. 4 die Kräfteverhältnisse, Fig. 5 in Drauf­sicht ein tonnenförmiges Tragwerk, Fig. 6 einen der vie­len möglichen Knoten eines Tragwerks und Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6.
• In den Figuren wurden zur Verdeutlichung Stabtragwerke mit nur wenigen Gliedern dargestellt, tatsächlich sind solche Tragwerke meist wesentlich vielgliedriger.
• In Fig. 1 ist eine vorgespannte, einlagige, polygonal ge­krümmte Stabwerkskuppel und in Fig. 2 ist eine einlagige, polygonal gekrümmte Stabwerkstonne schematisch darge­stellt.
• In Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt durch ein vorge­spanntes, polygonal gekrümmtes Stabtragwerk geführt. Hier sind die auf Druck beanspruchten Tragwerkstäbe 1 mit starken Linien und die vorgespannten Zugglieder 2 mit schwächeren Linien dargestellt. Die Stabknickpunkte 3 sind zugleich die Angriffspunkte der vorgespannten Zug­glieder 2. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß jedes vorge­spannte Zugglied 2 unter Auslassen eines dazwischenlie­genden Stabknickpunktes 3′ zwei Stabknickpunkte 3 verbin­det. Sinngemäß verbinden die vorgespannten Zugglieder 2′ Stabknickpunkte 3′ und lassen den jeweils dazwischen an­geordneten Stabknickpunkt 3 aus.
• In Fig. 4 ist ein Teil des Stabwerkes herausgehoben. Man ersieht hier die Wirkung der Tragwerksstäbe 1 unter Vor­spannung der Zugglieder 2 bzw. unter Einwirkung einer äu­ßeren Kraft F am Knickpunkt 3. Es ist hier auch zu erken­ nen, daß bei Einwirken einer äußeren Kraft das Zugglied 2 zusätzlich belastet wird, wogegen die am Lastangriffs­punkt und Stabknickpunkt 3′ angreifenden Zugglieder 2′ jedoch entlastet werden.
• Fig. 5 zeigt ein rautenförmig verknüpftes Stabtragwerk im Grundriß. Die strichlierten Tragwerksstäbe 1 in Längsach­se können bei einfach gekrümmten Tragwerken auch entfal­len, bei zweifach gekrümmten Tragwerken wie z.B. bei Stabwerkskuppeln bilden sie einen Zugring, welcher das Gesamt-Tragwerk in Form hält.
• In Fig. 4 wird auch die Anordnung von Feder-Dämpferele­menten 4 in den Zuggliedern 2 dargestellt. Weiters wird die Möglichkeit rautenförmig aufgespaltener Zugglieder 5 gezeigt, wobei die zum Vorspannen und Auseinanderspreizen der Zugglieder 5 notwendigen Druckelemente ebenfalls als Feder-Dämpferelemente 6 ausgebildet sein können.
• Die Fig. 6 und 7 zeigen eine mögliche Ausführungsform der Stabknickpunkte 3 und zugleich die Knotenausbildung für vier bis sechs Tragwerkstäbe 1 mit den am selben Knoten 3 angreifenden, vorgespannten Zuggliedern 2.
• Bei dem erfindungsgemäßen, einlagigen, polygonal gekrümm­ten Stabtragwerk wird vermieden, daß bei ungleichmäßigen Belastungen, zusätzlichen größeren Einzellasten oder Ho­rizontalkräften aus Wind usw. große Biegemomente im Stab­werksystem hervorgerufen werden, die unzulässig große Verformungen des gesamten Systems oder das Durchschlagen der Stabknoten (Knickpunkte im Stabwerk) durch hier an­greifende Lasten (Kniehebelwirkung) zur Folge haben kön­nen. Dies wird beim erfindungsgemäßen Tragwerk aus Stäben 1 erreicht, indem jeweils zwei Stabknickpunkte bzw. Kno­ten 3 unter Überspringen eines dazwischenliegenden Stab­knickpunktes 3′ durch vorgespannte Zugglieder 2 verbunden sind. Die dazwischenliegenden Stabknickpunkte 3′ sind ih­rerseits unter Überspringen der oben erwähnten bereits verbundenen Knickpunkte 3 ebenfalls durch vorgespannte Zugglieder 2′ miteinander verbunden. So entsteht eine Vielzahl von vorgespannten Sprengwerken 1, 2, 3 bzw. 1′, 2′, 3′, welche es keinem einzigen Stabknickpunkt bzw. Knoten 3, 3′ erlauben, seine Lage am zugeordneten Krüm­mungskreis zu verlassen. Durch Vorspannen der Zugglieder 2, 2′ wird die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Stab­tragwerkes erhöht. Die Zugglieder 2, 2′ können auch rau­tenförmig aufgespalten werden, wobei die Vorspannung die­ser aufgespaltenen Zugglieder 5 über die hohe Kraft­übersetzung durch kleine, querliegende, die Aufspaltung auseinanderhaltende Druckelemente billig und genau ein­stellbar ist. Zur Dämpfung von Schwingungen in diesen leichten, meist weitgespannten Tragwerken, z.B. durch Winderregung, können bei den Zuggliedern 2 bzw. 5 Feder-­Dämpferelemente 4 bzw. 6 zwischengeschaltet sein.
• Die Zugglieder 2, 5 bestehen meist aus Rundstahl, Vier­kant- oder Flachstahl. Die Stäbe 1 müssen auch Druck auf­nehmen können und sind daher meist aus Rundrohren, Vier­kantrohren oder breitflanschigen Stahlträgern herge­stellt. An Stelle von Stahl kann für bestimmte Zwecke so­wohl für die Zugglieder 2 als auch für die Stäbe 1 auch Aluminium, verwendet werden.
• Als Feder-Dämpferelemente können handelsübliche Dämpfer mit Federrückstellung eingesetzt werden, wie sie aus dem Schwerfahrzeugbau, Kranbau usw. an sich bekannt sind. Die als Hydraulik-Dämpfer oder als Reibungsdämpfer ausgebil­deten Feder-Dämpferelemente funktionieren so, daß Schwin­gungen durch im Dämpfer zu verrrichtende Arbeit unter­drückt werden. Die Federn stellen die Längen und die Vor­spannung der einzelnen Zugglieder, die sich bei Schwin­gungen des Daches verändern, wieder in die Länge bei Ru­helage zurück.

Claims (4)

1. Einlagiges, polygonal gekrümmtes Stabtragwerk, bei dem die Knickpunkte der Tragwerkstäbe unter Auslassen je eines dazwischenliegenden Knickpunktes miteinander über Zugstäbe verbunden sind, und bei dem die dazwi­schenliegenden Knickpunkte unter Auslassung je eines dazwischenliegenden Knickpunktes miteinander ebenfalls über Zugstäbe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Knickpunkte (3 bzw. 3′) unter Auslassung je eines dazwischenliegenden Knickpunktes (3′ bzw. 3) miteinander verbindenden Zugglieder (2 bzw. 2′) vorge­spannt sind.

2. Stabtragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugglieder (5) rautenförmig aufgespalten sind und über Druckelemente (6) auseinandergehalten bzw. vorgespannt sind.

Stabtragwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß in den Zuggliedern (2, 2′) in Längsrich­tung der Zugelemente (2, 2′) wirkende Feder-Dämpfer­elemente (4) vorgesehen sind, welche zugleich auch die Vorspannung übernehmen.

4. Stabtragwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß ddie Zugglieder (5) durch Feder-Dämpfer­elemente (6) auseinandergehalten bzw. vorgespannt sind.

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