Konstruktionssysteme |
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Verschiedene Konstruktionssysteme
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Konstruktive Systeme mit konischen Rundstäben
Der gerade Stab findet verschieden gelagert unterschiedliche Verwendungen (Eulerfälle). Unter Einspannung mit horizontalen Lasteinwirkung ergibt sich die für die konischen Rundstäbe typische Biegelinie. Der gelenkig gelagerte Stab muss durch Abspannungen gesichert werden. "Dreibeine" sind standfeste Tragsysteme , die umgedreht und addiert sozusagen in eine Tischplatte eingespannt werden können.
Wegen der hohen Schlankheit von pflanzlichen Stangen ist es günstig diese zu bündeln. Dies ist besser als die bloße Addition, da ein geringe Vorspannung erzielt wird. Noch günstiger sind natürlich röhrenförmige Querschnitte und das beste Verhältnis von Tragfähigkeit zu Gewicht wird bei seilverspannten Druckstäben erzielt.
Eine Reduzierung der Masse und die dem Kraftfluss ensprechenden Anordnung ist anzustreben.
Die besondere Biegelinie konischer Elemente ist in konstruktiven Systemen zu berücksichtigen. Bei weiterentwickelten Systemen müssen an den Einspannstellen Biegemomente aufgenommen werden.
Durch wechselseitiges Anordnung des dünnen und dicken Endes können unterschiedliche Tragfähigkeiten ausgeglichen werden.
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Fachwerke etc.
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Spreng- und Hängewerke die in einer grossen Vielfalt kombiniert und umgewandelt werden können sind möglich. Fachwerke lassen sich als weiterentwickelte Hängewerke beschreiben. Parallelgurtige Träger kommen vor allem beim Brücken und Deckenbau zum Einsatz.
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Raumtragwerke / Unterspannungen
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Die Fachwerkträger könne zu Raumtragwerken addiert
werden. Bei der Unterspannung des Trägers muss das Wegknickens der Strebe vermieden werden. |
Verschiedene Dachformen
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Geneigte Dächer sind auch typische Stangenkonstruktionen. Pultdächer werden oft als angehängte Konstruktionen vor massive Bauten gestellt, wobei die vordere Unterstützung als Pendelstütze ausgebildet werden kann.
An der Spitze zusammengebundene Stangen.
Aus diesen Prinzipien entwickelt sich auch das Sparrendach, das bei grossen Spannweiten zum Kehlbalkendach ergänzt wird. Die Aufnahme der Horizontallasten muss über die Wandkonstruktion, ein Zugband oder auch den Ringbalken aufgenommen werden.
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Gekrümmte Flächen mit geraden Stangen |
Türme werden gewöhnlich als Fachwerkkonstruktionen ausgebildet wobei oft hohen Horizontallasten vor allem aus Wind Rechnung zu tragen ist.
Aus geraden Stäben lassen sich gekrümmte Flächen ( Regelflächen) erzeugen wie das hyperbolisches Paraboloit und Rotationsparaboloid. Die runden Querschnitte haben den Vorteil dicht an dicht aneinandergelegt werden zu können. Auch geodätische Kuppeln sind möglich, wobei die Knoten, der nicht in einer Ebene liegenden Stäbe besonders beachtet werden müssen.
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Biegelinie |
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Konizität |
Bei den Kegelförmigen Stäben ergeben sich Konstruktionen, die sich grundsätzlich von denen mit gleichmässiger Dicke unterscheiden.
Stäbe gleicher Konizität weisen aber nicht unbedingt dieselbe Biegelinie auf, selbst wenn ihre Materialeigenschaften gleich sind: die Stababschnitte a, b und c haben alle die gleiche Konizität, weisen jedoch unterschiedliche Biegelinien auf. Die Ursache dafür ist die unterschiedlich Schlankheit der Stäbe.
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Schaumstoffversuche, ein Auflager
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Zu den Biegelinien wurden im IL Versuche in Schaumstoff durchgeführt. Er bietet den Vorteil der Homogenität und des leichteren und deutlicheren Verbiegens.
Zur Vereinfachung wurden allerdings rechteckige Querschnitte gewählt und die Biegung in nur einer Richtung untersucht. Der Krümmungsradius ist am Einspannpunkt am kleinsten und wird zum dünnen Stabende hin grösser.
Balken mit einem Auflager
Der Schwerpunkt des gekrümmten Stabes entspricht nicht dem des geraden Stabes, da sich durch die Biegung die Länge der Hebelarme verringert. Der höchste Punkt der Biegelinie liegt höher als der Auflagerpunkt.
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Schaumstoffversuche, zwei Auflager
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Balken mit zwei Auflagern
Verschiedene Positionen sind möglich:
1. Hier treten nur vertikale Auflagerkräfte auf ( feste und verschiebliche Auflager möglich)
2. Bei verschieblichen Auflagern lässt sich der Durchhang des Balkens innerhalb eines Spielraums verschieben.
3. Bei verringertem Auflagerabstand
Verschiedene Positionen mit drei Auflagern und nur vertikalen Auflagerkräften
Geneigte Balken
Die Kettenlinie liegt im oberen Bereich über der Biegelinie, im unteren Bereich darunter. Diese Form ist von asiatischen Tempeldächern her bekannt.
Das IL hat ein Verfahren entwickelt, das möglichst einfach eine genügend genauen Abschätzung der Tragfähigkeit von Bauteilen ermöglichen soll. Das sogenannte BIC-Diagramm.
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Ingenieurbau |
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Bambusturm
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Bambusturm auf der Phänomena
1984 fand in Zürich die "Phänomena" eine Ausstellung über Phänomene und Rätsel der Umwelt statt.
Der Bambusturm ist ein Entwurf von dem Züricher Künstler Johannes Peter Staub. Er wurde mit 250t Bambus aus China realisiert. Die Stäbe von 20-jährigen Bambuspflanzen hatten einen Durchmesser von 6-11cm. Sie wurden in China im Herbst geschlagen, dort getrocknet und nach Zürich verfrachtet.
Alle Arbeiten übernahmen 40 bambuserfahrene Handwerker aus China.
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Detailausbildung
Gesamtansicht
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Die Konstruktion hat drei Geschosse und ist auf einer 21x21m großen Grundfläche errichtet. Herausstechend sind zwei 20m hohe Treppentürme.
Dem Entwurf liegt ein Sechseckraster mit 2,40m Kantenlänge zugrunde. Vor Ort wurden die sechseckige Elemente hergestellt und auf dem Raster errichtet. Weitere Elemente wurden jeweils aufgesteckt und verstrebt. Die maximale Spannweite der Elemente beträgt 4,80m.
Die senkrechten Elemente wurden durch Schraubbolzen über ein eingelassenes Stahlprofil in den Betonfundamenten verankert. Auch an anderen Stellen musste man auf Baustahl zurückgreifen, um die Verbindungen herzustellen. Die Diagonalstützen zur Verstärkung der Stockwerksbögen wurden verschraubt. Ein verborgenes Stahlband unter den geflochtenen Knotenpunkten dient zur Sicherung der Statik.
Der Grund liegt in den hohen Belastungen des Ausstellungsgebäudes und in der geringen Erfahrung der Arbeiter mit derart hohen Konstruktionen.
Vor der Errichtung in Zürich wurde ein Versuchsbau in China errichtet und auf sein Tragverhalten überprüft. Auch in China hatte man keine Erfahrungen mit über 8m hohen Konstruktionen, obwohl es dort durchaus Baunormen mit technischen Anweisungen gibt.
Besonderes Augenmerk wurde bei dem Versuchsbau auf das Schwingungsverhalten gelegt, da der Turm durch seine vielen Knoten und Verbindungen in diesem Bereich besonders anfällig war.
Der Innenausbau des Turm wurde sehr einfach gehalten. Da der Turm nur in Sommermonaten stand gab es kaum Verkleidungen der offenen Wandelemente, wenn doch dann durch einfache Tücher. Die obere Plattform wurde durch eine einfache Folie vor Regen geschützt. Der Turm war Ausstellungsobjekt und -raum in einem. Er beherbergte Kaleidoskopbetrachtungen, einen Spiegelsaal, Windräder, Savoniusrotoren und einen 1,50m Gong. Es gab außerdem 4 Rutschbahnen, ein Restaurant und die dazugehörige Küche.
Das Restaurant wurde möbliert mit Tischen und Stühlen aus den Reststücken des Bambus.
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