EP0310588A2 - Monosurface, polygonal, curved bar structure - Google Patents
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Definitions
- FIG. 1 shows a dome-shaped structure
- FIG. 2 shows a barrel-shaped structure
- FIG. 3 in section a structure from FIG. 1 or 2
- FIG. 4 shows the force relationships
- FIG. 5 shows a barrel-shaped structure in plan view
- FIG. 6 shows one of the many possible nodes of a structure
- FIG. 7 shows a section along the line VII-VII in FIG. 6.
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Abstract
Description
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.The invention relates to a single-layer, polygonally curved bar support structure, in which the break points of the support bars are connected to each other via tension rods while omitting an intermediate break point, and in which the intermediate break points are also connected to each other via tension rods while leaving out an intermediate break point. Such single-layer, polygonally curved bar structures can be used for barrel-shaped, dome-shaped or other double-curved hall structures.
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.Although barrel-shaped and dome-shaped supporting structures have always been a very economical way of covering, since with uniform loading and ideal shaping only compressive forces occur in the structural systems, one-sided loading, larger additional individual loads or temporarily attacking horizontal loads from wind etc. can cause major deformations and collapse.
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.This has hitherto been prevented by the fact that arch supports with high bending stiffness, curved trusses or two-layer, curved rod structures were used which, in addition to the normal forces in the arch direction, were also able to absorb large bending moments, which however resulted in heavier and therefore more uneconomical constructions.
Einlagige Stabtragwerke der eingangs genannten Gattung sind aus der DE-OS 2 800 720 und der DE-OS 3 311 397 bekannt.Single-layer bar structures of the type mentioned are known from DE-OS 2 800 720 and DE-OS 3 311 397.
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.The roof structure known from DE-OS 33 11 397 for covering halls, baths, sewage treatment plants and the like. shows the span spanning profiles that are angled in the same direction at several points and between the The inflection points run in a straight line. The profiles are arranged side by side so that the break points of each profile come to lie next to the central area between the break points of the adjacent profiles. Adjacent profiles are connected to one another by diagonal struts in the form of two legs colliding at an obtuse angle, the apex regions and leg ends of the diagonal struts being connected to the profiles at the kink points of the profiles. With regard to the diagonal rods strung together, the "kink points" (namely the apex and leg ends) are connected to one another by omitting an intermediate kink point.
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.DE-OS 28 00 720 relates to a truss structure in a modular system for curved covers, which is composed of a plurality of triangular structures with a curved profile, the net-shaped shell of rigid triangular and / or rhombic meshes. The oblique rod-shaped elements that delimit the meshes can be inscribed in helical, intersecting, geodesic lines. From DE-OS 28 00 720 reinforcing tension rods are known which connect diagonally opposite corner points of rhombic meshes with one another, the adjacent corner points being "omitted".
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.The invention has for its object to provide a single-layer, polygonal curved rod structure for barrel-shaped, dome-shaped or other double-curved coverings, which despite possible uneven loads, additional individual loads and horizontal loads from wind, etc., only generates compressive forces in its supporting rods and despite low bending stiffness of the Bars and joints (break points) ensure high dimensional stability of the entire structure.
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.This task is ge with a single-layer, polygonal curved bar structure solved in that the tension members connecting each other with the omission of an intermediate bending point are prestressed.
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.The rod structure according to the invention is a rigid structure by virtue of the prestressed tension members between each two rod inflection points, by skipping an intermediate rod inflection point, because a large number of prestressed explosive structures arise which do not allow a single inflection point to leave its predetermined position on the theoretical circle of curvature. This is achieved in that the prestressing forces to be applied to the tension rods after assembly of the rod structure are selected to be so high that some or all of the stresses (internal forces) in the individual structural rods, which are caused by the external forces acting on the bending points, generate constantly in advance and these pretensioning forces are only partially replaced by actually occurring external forces, so that less changes in shape occur when the structure is actually loaded.
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.To achieve short kink lengths in the transverse direction of the structural members subjected to pressure, they can also be arranged in a diamond shape. At the inflection points of the structure, four to six members are brought together. Although these rod arrangements are known, with four bars per kink point (knot diamond-shaped, with six bars per kink point (knot) triangular), it was not possible to support excessive loads in single-shell bar structures in the knot points (kink points), otherwise the kink would be present due to the toggle effect of the attacking forces penetrates in the direction of the force.
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.The prestressed tension members provided in accordance with the invention undercut each knot that is at risk of breakdown their arrangement between the neighboring nodes (break points). The tension members engaging the knots prevent the knots from deflecting in the direction of the buckling. This results in the aforementioned large number of pre-tensioned explosive devices which do not allow a single node to leave its position on the assigned circle of curvature. The tension members connecting the knots are prestressed to such an extent that part or all of the stresses (internal forces) caused by the external forces acting on the breakpoints (payloads) are permanently effective in advance, and these prestressing forces only become effective attacking external forces are released proportionately, so that there are fewer changes in shape when the structure is actually loaded. This is explained by the fact that an external force acting on a knot relieves the tension members acting on the same knot, whereby the external force in the bars takes over part of the effect of the prestressing forces. The change in shape is correspondingly smaller compared to a non-prestressed, similar system.
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.By arranging tensile members split in a diamond shape, with the interposition of transverse pressure elements to separate the splitting, with small measurable pressure forces in these pressure elements (e.g. disc spring assemblies) any pre-tensioning force of any size can be applied in the simplest way, since this arrangement results in a high power transmission.
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.Since lightweight structures are susceptible to vibration over large spans, spring-damper elements can also be provided in the tension members. By integrating the spring damper elements into the split tension members (transverse spring damper elements), weaker and therefore more cost-effective spring damper elements can be used, which, due to the large translation, can even cause the smallest deformations (vibration amplitudes) Change the local position of the nodes and the nodes to each other, dampen.
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.The invention is explained in more detail with reference to schematic drawings and exemplary embodiments. 1 shows a dome-shaped structure, FIG. 2 shows a barrel-shaped structure, FIG. 3 in section a structure from FIG. 1 or 2, FIG. 4 shows the force relationships, FIG. 5 shows a barrel-shaped structure in plan view, FIG. 6 shows one of the many possible nodes of a structure and FIG. 7 shows a section along the line 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 the figures, bar structures with only a few members were shown for clarity; in fact, such structures are usually much more structured.
In Fig. 1 ist eine vorgespannte, einlagige, polygonal gekrümmte Stabwerkskuppel und in Fig. 2 ist eine einlagige, polygonal gekrümmte Stabwerkstonne schematisch dargestellt.In Fig. 1 a prestressed, single-layer, polygonally curved framework dome and in Fig. 2, a single-layer, polygonally curved framework barrel is shown schematically.
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. 3 is a schematic section through a prestressed, polygonally curved rod structure. Here, the
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.In Fig. 4 a part of the framework is lifted out. The effect of the
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.Fig. 5 shows a diamond-shaped linked framework in plan. The
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.4 also shows the arrangement of spring damper elements 4 in the
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 2.6 and 7 show a possible embodiment of the
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.In the single-layer, polygonally curved rod supporting structure according to the invention, it is avoided that in the case of uneven loads, additional large individual loads or horizontal forces from wind, etc., large bending moments are caused in the rod system, the impermissibly large deformations of the entire system or the breaking of the rod nodes (break points in the rod) due to loads acting here (toggle action). This is achieved in the structure of
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.The
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.Commercially available dampers with spring return, as are known per se from heavy vehicle construction, crane construction, etc., can be used as spring damper elements. The spring-damper elements designed as hydraulic dampers or as friction dampers function in such a way that vibrations are suppressed by work to be done in the damper. The springs reset the lengths and the preload of the individual tension elements, which change when the roof vibrates, to the length when the roof is at rest.
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