NO337441B1

NO337441B1 - Beamed beams of solid cross-section and method of making such beam.

Info

Publication number: NO337441B1
Application number: NO20101351A
Authority: NO
Inventors: Arne Vaslag
Original assignee: Arne Vaslag
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2016-04-11
Also published as: CA2812497A1; CA2812497C; EP2622147A1; EP2622147A4; WO2012044173A1; EP2622147B1; NO20101351A1

Description

Oppfinnelsen gjelder forspente bjelker av massive tverrsnitt hvor bærende elementer består av to bøye-forspente, symmetriske eller tilnærmet symmetriske ytre elementer som er sammenføyd i forhøyet tilstand. The invention relates to prestressed beams of massive cross-section where the load-bearing elements consist of two bending-prestressed, symmetrical or nearly symmetrical outer elements which are joined in an elevated state.

Oppfinnelsen gjelder dessuten framgangsmåte for tilvirkning av slike forspente bjelker. The invention also applies to a method for the production of such prestressed beams.

Med "ytre elementer" menes i denne sammenheng langstrakte massive elementer av elastisk materiale, f.eks. treverk eller kompositter, som har form og egenskaper som gjør det egnet til bruk i bærebjelker. In this context, "external elements" means elongated massive elements of elastic material, e.g. wood or composites, which have a form and properties that make it suitable for use in support beams.

Bakgrunn Background

Det er vanlig å utforme bjelker og dekker med tverrsnittsformer som gir god material-utnyttelse, It is common to design beams and decks with cross-sectional shapes that provide good material utilization,

f. eks. H-form og l-form. Det er også vanlig å utføre bjelker med overhøyde for å oppnå reduksjon i resulterende nedbøyning hvor deformasjonskravene er avgjørende for dimensjoneringen. e.g. H-shape and l-shape. It is also common to make beams with an overhang to achieve a reduction in the resulting deflection, where the deformation requirements are decisive for the dimensioning.

Fra produksjon av betong er det kjent å utføre støpte bjelker og dekke-elementer med forspent armering for å oppnå overhøyde ogøket bæreevne, f.eks. hulldekke From the production of concrete, it is known to carry out cast beams and cover elements with prestressed reinforcement to achieve extra height and increased load-bearing capacity, e.g. hole cover

Fra tidligere patenterte løsninger vises til US patent nr.4 754 718, US patent nr. 2 039 398, DE 2 335 998, GB patent nr. 1 305 645, CH patent nr. 663 980 og norsk patent nr. 162124. From previously patented solutions, reference is made to US patent no. 4 754 718, US patent no. 2 039 398, DE 2 335 998, GB patent no. 1 305 645, CH patent no. 663 980 and Norwegian patent no. 162124.

GB patent nr. 1 305 645 omhandler en tresjikts struktur for en bjelke hvor to ytre sjikt i forhøyet tilstand blir låst sammen av et midtre sjikt bestående av en form for spikermatte som har spiker ragende ut på begge sider, som tvinges inn i de respektive ytre sjikt og derved låser disse i denønskede krumning. GB Patent No. 1 305 645 deals with a three-layer structure for a beam where two outer layers in an elevated state are locked together by a middle layer consisting of a form of nail mat having nails protruding on both sides, which are forced into the respective outer layer and thereby locks these in the desired curvature.

US 4 745 718 beskriver en tosjikts bjelke som limes sammen med ønsket krumning. US 4 745 718 describes a two-layer beam which is glued together with the desired curvature.

CH patent nr. 663 980 beskriver en flersjikts (tresjikts) bjelke som settes sammen av et antall sjikt (lameller) og gis en ønsket forhøyning eller krumning som i likhet med ovenfor nevnte løsning låses ved bruk av lim mellom sjiktene. CH patent no. 663 980 describes a multi-layer (three-layer) beam which is assembled from a number of layers (slats) and given a desired elevation or curvature which, like the solution mentioned above, is locked using glue between the layers.

Formål Purpose

Hovedformålet med oppfinnelsen er å utvikle en metode for forspenning og sammenføyning av massive bjelker for bruk i bygningsmessige konstruksjoner og anlegg som gir optimal materialutnyttelse samt fleksibilitet i valg av tverrsnittsform, slik at tilgjengelige råvarer kan utnyttes bedre. The main purpose of the invention is to develop a method for prestressing and joining massive beams for use in building constructions and facilities that provides optimal material utilization as well as flexibility in the choice of cross-sectional shape, so that available raw materials can be used better.

Det er videre et vesentlig formål er å kunne proporsjonere forspenningen slik at initialdeformasjonen (dvs. overhøyden) tilpasses aktuelle funksjonskrav m.h.t. brukerbehov, spennvidde, belastning, offentlige krav, etc. It is also an essential purpose to be able to proportion the preload so that the initial deformation (i.e. the overhang) is adapted to current functional requirements in terms of user needs, bandwidth, load, public requirements, etc.

Oppfinnelsen The invention

I følge oppfinnelsen kan dette oppnås med en løsning som i prinsipp framgår av patentkrav 1, hvor to ytre bjelkeelementer sammenføyes med hjelp av et midtre element etter forhøyning og innbyrdes glidning mellom elementene. According to the invention, this can be achieved with a solution which in principle appears from patent claim 1, where two outer beam elements are joined with the help of a middle element after elevation and mutual sliding between the elements.

I henhold til et annet aspekt angår foreliggende oppfinnelse tilvirkning av en slik bjelke som nærmere angitt i patentkrav 5. According to another aspect, the present invention relates to the manufacture of such a beam as specified in patent claim 5.

Med "midtre element" menes i denne sammenheng et skjæroverførende element som har form og egenskaper som gjør det egnet til å holde de ytre elementene sammen til en forspent, stiv struktur. In this context, "middle element" means a shear-transmitting element that has a shape and properties that make it suitable for holding the outer elements together into a prestressed, rigid structure.

Den omsøkte løsning skiller seg fra tidligere kjente teknikker og patenter ved at den gir muligheter for nye tverrsnittsformer, høyere lastkapasitet, uten økning i materialforbruket. The requested solution differs from previously known techniques and patents in that it provides opportunities for new cross-sectional shapes, higher load capacity, without an increase in material consumption.

Midtre element kan produseres av samme materiale som de ytre elementene eller av et materiale med høyere skjærkapasitet. Sammenføyningen kan utføres mekanisk ved at ytre elementer og midtre element "går i lås" ved gitt forhøyning. The middle element can be produced from the same material as the outer elements or from a material with a higher shear capacity. The joining can be carried out mechanically by the outer elements and middle element "locking" at a given elevation.

Den ferdige, skjærforspente bjelken har i ubelastet tilstand spenningsreserve og overhøyde som kan proporsjoneres i forhold til på forhånd gitte funksjonskrav. F.eks. kan forspenningen dimensjoneres slik at resulterende nedbøyning for normalt opptredende belastning på bjelken blir minimal eller tilnærmet null. For bjelker hvor deformasjonskravene er avgjørende for dimensjoneringen, f.eks. bjelker i dekkeelementer av tre, gir metoden mulighet for vesentlig større spennvidder enn tradisjonelle løsninger. The finished, shear-prestressed beam has, in an unloaded state, a tension reserve and overhang that can be proportioned in relation to pre-given functional requirements. E.g. the prestress can be dimensioned so that the resulting deflection for normally occurring load on the beam is minimal or almost zero. For beams where the deformation requirements are decisive for the dimensioning, e.g. beams in wooden covering elements, the method allows for significantly larger spans than traditional solutions.

Eksempelbeskrivelse Example description

Oppfinnelsen er illustrert i de medfølgende tegninger, hvor: The invention is illustrated in the accompanying drawings, where:

Figur IA viser skjematisk sideriss av sammenstilte bjelkeelementer i ubelastet tilstand. Figure IA shows a schematic side view of assembled beam elements in an unloaded state.

Figur IB viser elementene i figur IA etter forhøyning, innbyrdes glidning, sammenføyning og avlastning. Figur 1C viser prinsipp-detalj av midtre element utført av samme materiale som de ytre elementene og produsert med form som gir mekanisk kraftoverføring. Figur ID viser prinsipp-detalj av midtre element utført av et materiale med høyere skjærkapasitet enn de ytre elementene, produsert med form som gir mekanisk kraftoverføring. Figure IB shows the elements in Figure IA after elevation, mutual sliding, joining and relief. Figure 1C shows the principle detail of the middle element made of the same material as the outer elements and produced with a shape that provides mechanical power transmission. Figure ID shows the principle detail of the middle element made of a material with a higher shear capacity than the outer elements, produced with a shape that provides mechanical power transmission.

Figur 1E viser den ferdige bjelken fra figur IB påført jevnt fordelt ytre belastning. Figure 1E shows the finished beam from Figure IB applied to a uniformly distributed external load.

Figur 1F viser prinsipp-diagrammer for bøye- og normal-spenninger i den ferdige bjelken fra figur 1 E. Figure 1F shows principle diagrams for bending and normal stresses in the finished beam from Figure 1 E.

Figur 1G viser prinsipp-diagrammer for skjær-spenninger i den ferdige bjelken fra figur 1 E. Figure 1G shows principle diagrams for shear stresses in the finished beam from Figure 1E.

Figur 2A-B viser eksempler på aktuelle tverrsnitt for forspente bærebjelker av massive tverrsnitt. Figure 2A-B shows examples of current cross-sections for prestressed support beams of solid cross-section.

Figur 3A-B viser perspektivskisser av aktuelle bærebjelker av massive tverrsnitt. Figure 3A-B shows perspective sketches of relevant support beams of solid cross-section.

Figur 4A-C viser eksempler på dekke-elementer hvor bærebjelken i figur 2A er benyttet. Figure 4A-C shows examples of covering elements where the support beam in Figure 2A is used.

Tegnforklaringer Symbol explanations

Zi = nøytralakse nedre element, Z2= nøytralakse øvre element, Z0= nøytralakse ferdig bjelke, Zi = neutral axis lower element, Z2= neutral axis upper element, Z0= neutral axis finished beam,

a = avstand mellom Zaog Z2, t = netto tykkelse midtre element, f = bøye- og normal-spenning og t= skjærspenning. a = distance between Za and Z2, t = net thickness middle element, f = bending and normal stress and t = shear stress.

Med nøytralakse menes den posisjon i en bjelke som får null lengdeendring når bjelken utsettes for et elastisk bøyemoment. By neutral axis is meant the position in a beam that gets zero change in length when the beam is subjected to an elastic bending moment.

Figur 1 Prinsippskisser Figure 1 Principle sketches

Figur IA viser skjematisk sideriss av bjelkeelementene 10,11 og 12 i ubelastet tilstand. Figure IA shows a schematic side view of the beam elements 10, 11 and 12 in an unloaded state.

Ytre elementer 10 og 12 er symmetriske eller tilnærmet symmetriske om akse Z0. Dette gir gunstig spenningsfordeling over tverrsnittet og dermed god materialutnyttelse. Elementene kan f.eks. være utført av trevirke, kompositt, eller annet elastisk materiale. Midtre element 11 kan utføres av samme materialtype som de ytre elementene (figur 1C) eller av et materiale med større skjærkapasitet (figur ID). Figur IB viser elementene i figur IA etter forhøyning, sammenføyning og avlastning. Forhøyningen, som utføres med en hydraulisk presse eller liknende kjent utstyr, medfører glidning i kontaktflatene mellom elementene. Ved sammenføyning og avlastning oppstår en skjær-strøm mellom midtre element 11 og de ytre elementene 10 og 12, angitt med piler i figur IB. Skjæroverføringen skjer mekanisk med en tilpasset overflatestruktur. Figur 1C-D viser prinsippdetaljer av midtre element, utformet med overflatestruktur som medfører at elementene 10,11 og 12 låses sammen til en forspent, stiv struktur ved gitt forhøyning. Outer elements 10 and 12 are symmetrical or approximately symmetrical about axis Z0. This provides favorable stress distribution over the cross-section and thus good material utilization. The elements can e.g. be made of wood, composite or other elastic material. Middle element 11 can be made of the same type of material as the outer elements (figure 1C) or of a material with greater shear capacity (figure ID). Figure IB shows the elements in Figure IA after elevation, joining and relief. The elevation, which is carried out with a hydraulic press or similar known equipment, causes sliding in the contact surfaces between the elements. During joining and unloading, a shear flow occurs between the middle element 11 and the outer elements 10 and 12, indicated by arrows in figure IB. The shear transfer occurs mechanically with an adapted surface structure. Figure 1C-D shows principle details of the middle element, designed with a surface structure which means that the elements 10, 11 and 12 are locked together into a pre-stressed, rigid structure at a given elevation.

I tillegg til skjæroverførende funksjon (forspenning) gir midtre element enøkning av bjelkens lastkapasitet ved at avstanden mellom nøytralaksene Zaog Z2blir større. For noen bjelketyper og dimensjoner utgjør denne kapasitetsøkningen over 50 %, se vedlagte regne-eksempel. In addition to the shear-transmitting function (prestressing), the middle element increases the beam's load capacity by increasing the distance between the neutral axes Za and Z2. For some beam types and dimensions, this increase in capacity amounts to over 50%, see the attached calculation example.

Dersom midtre element utføres av et tilstrekkelig hardt materiale, kan skjæroverføring (forspenning) oppnås ved at elementene presses sammen i forhøyet tilstand. Bjelken kan dermed produseres uten fresing. If the middle element is made of a sufficiently hard material, shear transfer (prestressing) can be achieved by pressing the elements together in an elevated state. The beam can thus be produced without milling.

Midtre element kan framstilles i korte lengder og f. eks. støpes i form. Det forutsettes at utformingen tillater glidning mellom elementene når forhøyningen pågår. Middle element can be produced in short lengths and e.g. cast into shape. It is assumed that the design allows sliding between the elements when the elevation is in progress.

Figur 1E viser den ferdige bjelken etter at ytre last er påført. Figure 1E shows the finished beam after the external load has been applied.

Figur 1F viser prinsipp-diagrammer for bøye- og normal-spenninger fra: Figure 1F shows principle diagrams for bending and normal stresses from:

(1) forhøyning/ avlastning, (2) spenninger fra ytre last og (3) resulterende spenning. (1) elevation/relief, (2) stresses from external load and (3) resultant stress.

Ved høy forspenning kan symmetriske tverrsnitt oppnå tilnærmet plastisk spenningsfordeling etter at jevnt fordelt ytre last er påført - uten plastisering av materialet. Dette gir maksimal utnyttelse av bjelketverrsnittet med hensyn til lastkapasitet. I praksis vil en redusert overhøyde være mest aktuelt, og deformasjonskrav avgjørende for valg av forspenningen. At high prestress, symmetrical cross-sections can achieve an approximately plastic stress distribution after an evenly distributed external load has been applied - without plasticizing the material. This provides maximum utilization of the beam cross-section with regard to load capacity. In practice, a reduced overhang will be most relevant, and deformation requirements are decisive for the choice of prestressing.

Figur 1G viser prinsipp-diagrammer for skjær-spenninger fra: Figure 1G shows principle diagrams for shear stresses from:

Av prinsippdiagrammene 1F framgår at bjelkens bøyespenningsreserve tilsvarer spenningsnivået etter forhøyning og avlastning. From the principle diagrams 1F it appears that the beam's bending stress reserve corresponds to the stress level after elevation and relief.

Av prinsippdiagrammene 1G framgår at skjær-kapasiteten reduseres tilsvarende resulterende skjær-strøm etter forhøyning og avlastning. Bjelken må derfor dimensjoneres for summen av skjær-påkjenning fra forhøyning/avlastning og fra ytre last. For aktuelle bjelketyper og spennvidder har denne reduksjon liten praktisk betydning. From the principle diagrams 1G it appears that the shear capacity is reduced correspondingly to the resulting shear flow after elevation and relief. The beam must therefore be dimensioned for the sum of shear stress from elevation/relief and from external load. For relevant beam types and spans, this reduction has little practical significance.

Figur 2 Eksempler på bjelketverrsnitt Figure 2 Examples of beam cross-sections

I figur 2A er vist en massiv firkantbjelke som består av de ytre elementene 21 og 23, og midtre element 22. Bjelken er sammenføyd under forspenning med hjelp av tilpasset overflatestruktur/ pressing. Figure 2A shows a massive square beam consisting of the outer elements 21 and 23, and middle element 22. The beam is joined under prestressing with the help of adapted surface structure/pressing.

I figur 2B er vist en massiv bjelke med tilnærmet sirkulært tverrsnitt (f. eks. rundtømmer) Figure 2B shows a massive beam with an approximately circular cross-section (e.g. round timber)

som består av de ytre elementene 24 og 26, og delt midtre element 25. which consists of the outer elements 24 and 26, and split middle element 25.

Bjelken er sammenføyd under forspenning med hjelp av tilpasset overflatestruktur/ pressing. The beam is joined under prestressing with the help of adapted surface structure/pressing.

Figur 3 Perspektivskisser bjelker Figure 3 Perspective sketches of beams

Figurene 3A til 3B viser alle eksempler på massive bjelker av tre. Figures 3A to 3B show all examples of solid wooden beams.

Figur 4 Bærebjelke i dekkeelementer Figure 4 Supporting beam in cover elements

Eksempler på dekkeelementer basert på bærende prinsipp tilsvarende figur 2A. Examples of cover elements based on a supporting principle corresponding to Figure 2A.

Figur 4A viser et eksempel på "ribbedekke", figur 4B viser et eksempel på "bjelkedekke" mens figur 4C viser et eksempel på "massivdekke". Figure 4A shows an example of "rib deck", Figure 4B shows an example of "beam deck" while Figure 4C shows an example of "solid deck".

Regneeksempel Calculation example

Fritt opplagt bjelke med jevnt fordelt last og spennvidde L = 6m. Freely laid beam with evenly distributed load and span L = 6m.

Råmaterial: Rundtømmer (d.v.s. begrenset tilgang vedøkende dimensjoner). Raw material: Round timber (i.e. limited access to increasing dimensions).

Ytre elementer: Delt rundtømmer med diameter 250 mm. External elements: Split round timber with a diameter of 250 mm.

Midtre element: Rektangulær, netto tykkelse = t Middle element: Rectangular, net thickness = t

Tverrsnitt: Se fig. 2B. Cross section: See fig. 2B.

Basisverdi: Lastkapasitet beregnet for midtre element t=0 og forspenning Base value: Load capacity calculated for middle element t=0 and prestress

som tilsvarer en overhøyde på L/100, dvs. 6 cm etter avlastning. which corresponds to an overhead height of L/100, i.e. 6 cm after unloading.

Kapasitetsøkninger for ulike tykkelser midtre element: Capacity increases for different thicknesses of middle element:

Tykkelse t=30 mm: ca.40 %økning Thickness t=30 mm: approx. 40% increase

Tykkelse t=40 mm: ca.55 %økning Thickness t=40 mm: approx.55% increase

Tykkelse t=50mm: ca.70 %økning Thickness t=50mm: approx. 70% increase

Fordeler ved foreliggende oppfinnelse Advantages of the present invention

Bjelken som foran beskrevet skiller seg fra tidligere kjente teknikker og patenterte løsninger ved at: The beam as described above differs from previously known techniques and patented solutions in that:

1. Massive bjelker kan produseres med ønsket forspenning uten klebing/ liming, se fig. 2A-B. 1. Massive beams can be produced with the desired prestressing without gluing, see fig. 2A-B.

2. Metoden er velegnet for bjelker i dekkeelementer med større spennvidder, se fig. 4A-C. 2. The method is suitable for beams in cover elements with larger spans, see fig. 4A-C.

3. Metoden gir mulighet for bedre utnyttelse av basismaterialet, se regne-eksempel. 3. The method allows for better utilization of the base material, see calculation example.

Claims

1. Prestressed, massive beam of elastic material where two outer elements (10,12), which are symmetrical or nearly symmetrical about the neutral axis of the overall cross-section, are joined in an elevated position with the help of a shear-transmitting middle element (11), made for mechanical power transmission, characterized in that the outer elements (10,12) are held together after mutual sliding between the elements (10-12).

2. Prestressed, massive beam in accordance with patent claim 1, characterized in that the middle element (11) is made of the same material as the outer elements (10,12) or of a material with a higher shear capacity.

3. Prestressed, massive beam in accordance with patent claim 1, characterized in that with full prestressing, an approximately plastic stress distribution over the cross-section can be achieved, without plasticization of the material.

4. Prestressed, massive beam in accordance with patent claim 1, characterized in that mechanical power transmission is ensured by the fact that adjacent surfaces in the middle element (11) and the outer elements (10,12) are given a three-dimensional structure that is arranged to go in tight mutual engagement only when the elements (10-12) are applied to a given elevation and thereby mutually lock each other in a bent position.

5. Method for the production of a prestressed, massive beam of elastic material comprising two outer elements (10, 12) which are symmetrical or nearly symmetrical about their neutral axis and which are joined in an elevated state by placing a shear-transmitting, middle element (11) between the two outer elements (10,12) whereupon the elements are subjected to an elastic bending deformation, characterized by mutual sliding being exerted between the elements (10-12) before they are mechanically joined and then relieved.

6. Method in accordance with patent claim 5, characterized in that the contact surfaces of the elements (10-12) are locked mechanically at a given elevation.