Konstrukce s prostorovým působením

Transkript

1 Konstrukce s prostorovým působením

2 Typy a dělení konstrukcí

3 Rozdělení podle charakteru vnitřních sil Konstrukce s ohybovým, normálových a smykovým působením (a,b) deskové a roštové konstrukce dvouvrstvé struktury Konstrukce s normálových a smykovým působením (c) skořepiny předepjaté membrány jednovrstvé prutové struktury s diagonálními pruty Konstrukce s normálovým působením (d) lanové sítě tensegridy

4 Rozdělení podle charakteru působení Prostorově působící homogenní plošné konstrukce: klenby skořepiny lomenice membrány Prostorově působící jednovrstvé prutové konstrukce ohybově tuhé roštové konstrukce Prostorově působící jednovrstvé prutové konstrukce ohybově netuhé jednovrstvé struktury lanové sítě Prostorově působící dvouvrstvé prutové konstrukce dvouvrstvé struktury tensegridy

5 Rozdělení podle tvaru plochy Plochy s nulovou gaussovou křivostí rovinná plocha válcová plocha (rotační, parabolická) kuželová plocha konoidní plochy Plochy s kladnou gaussovou křivostí kulová plocha rotační paraboloid Plochy se zápornou gaussovou křivostí rotační jednodílný hyperboloid nerotační jednodílný hyperboloid

6 Rozdělení podle tvořícího principu a podepření obousměrně působící desková konstrukce dlouhá válcová skořepina krátká válcová skořepina kopule hyperbolicko-parabolická skořepina visutá konstrukce ortogonální visutá konstrukce rotační

7 Klenby vaulted structures

8

9 Statické působení klenbové konstrukce stálé svislé zatížení je přenášeno tlakovým působením (rozkladem zatížení do střednice) pro přenesení nahodilých zatížení a zajištění tuhosti proti vybočení musí mít klenba přiměřenou ohybovou tuhost ohybová tuhost průřezu klenby poskytuje tlakové předpětí od vlastní tíhy k zamezení tahovým napětím, musí výslednicová čára být v jádru průřezu stabilitu proti vybočení lze podobně jako u skořepinových konstrukcí získat i spolupůsobením s žebry, jinou tuhou částí apod.

10 Klášterní a křížová klenba stabilita proti vybočení je zajištěna prostorovým spolupůsobením obou částí a žebra

11 Kopule svislé zatížení je přenášeno tlakovými silami (1) charakter radiální napjatosti (2) závisí na tvaru kopule (tahová, tlaková napětí) tahová napětí musí být zachycena obručemi, řetězy apod. stabilitu konstrukce poskytuje spolupůsobení s ostatním částmi 1- meridián, 2 rovnoběžka

12 Pantheon Roma (126 n.l.) betonová konstrukce 5000 tun, rozpon 43 m

13 S.Maria del Fiore (Brunelleschi 1436)

14 St. Peter's Basilica (Michalangelo 1585)

15 Skořepiny shell roof

16

17 Statické působení tenká skořepina nepřenáší ohybová namáhání zatížení je přenášeno tlakem, tahem a smykem tvarování plochy zajišťuje stabilitu tlačených částí podpory tvoří obrubní žebra, tuhá čela, rámové nosníky, stěny ze statického hlediska jsou výhodné nerozvinutelné plochy s dvojí křivostí

18 Základní tvary skořepin optimální jsou jednoduché tvary s vysokou statickou účinností translační nebo přímkové plochy jednoduchý nebo opakovatelný tvar zjednodušuje výrobu Nejčastější tvary: krátká válcová skořepina (a) dlouhá válcová skořepina (b) kopule (c) hyperbolický paraboloid(d)

19 Další příklady tvarového řešení: a) dlouhá válcová skořepina, b) krátká válcová skořepina, c) segmentová translační skořepina, d) kopule, e) translační skořepina nad čtvercovým půdorysem, f) zvlněná translační skořepina, g) žlabová skořepina, h) výseky hyperbolickoparabolické plochy, i) konoidní sdružená skořepina, j) konoidní skořepina, k) l) hyperbolicko-parabolická plocha

20 Porovnání působení oblouku a skořepiny oblouk (1) je ve své rovině proti vybočení stabilizován vlastní ohybovou tuhostí EI krátká válcová skořepina (4) je tenká a má zanedbatelnou vlastní ohybovou tuhost, proto musí být stabilizována proti vybočení spolupůsobením s tuhým čelem (5) nebo ohybově tuhým žebrem (6) C v konstrukci kupole je pás skořepiny (4) stabilizována spolupůsobením s částmi skořepiny (7) mimo rovinu stabilizovaného pásu

21 Krátká válcová skořepina stabilita konstrukce zajištěna spolupůsobením s výztužnými žebry nebo čely skořepiny (ne ohybovou tuhostí!) podepření je v patě oblouku na stěně nebo tuhém nosníku

22 Dlouhá válcová skořepina konstrukce je podepřená tuhým čelem působí obdobně jako prizmatická lomenice jedná se o ohýbanou konstrukci

23 Rotační skořepinová kupole (báň) tlakové působení (meridiány) tahové nebo tlakové působení (rovnoběžky)

24 Příklady bání s čelními oblouky a žebry a) hladká kulová báň s čelními oblouky, b) žebrová báň nad půdorysem šestiúhelníka, c) žebrová báň nad mnohoúhelníkovým půdorysem, d) báň sestavená ze skořepinových segmentů

25 Skořepina ve tvaru hyperbolického paraboloidu zatížení je v jednom směru přenášeno tahovým a ve druhém směru tlakovým napětím do obrubních žeber smykovým napětím obrubní žebra jsou namáhána převážně normálovým napětím

26 Restaurant Los Manantiales - Mexico City (Felix Candela 1958 ) Tloušťka skořepiny 40 mm,

27 Norfolk Scope (Nervi 1961) rozpon 134 m (v době vzniku a nyní největší na světě), výška 33 m

28 Kresge Auditorium MIT, Cambridge (Eero Saarinen 1953 )

29 TWA Flight Center at John F. Kennedy International Airport (Eero Saarinen 1962)

30 Lomenice folded plate roof

31

32 Tvarová a materiálová řešení prizmatické, poloprizmatické pyramidové, rotační rámy a oblouky a) b) prizmatická lomenicová konstrukce, c) poloprizmatická lomenicová konstrukce, d) pyramidová lomenicová konstrukce, e) rotační lomenicová konstrukce, f) lomenicové rámy a oblouky

33 Lomenicové desky a rámy v podpoře musí být přenesena koncentrovaná napětí do podpory (čelní desky,..) rámový roh musí přenést spojitě tahová i tlaková napětí!

34 Lomenice vyztužené horizontální deskou o Zvýšení únosnosti lomenicového rámu vložením desky do tlačené zóny průřezu (Sál Unesco, Paříž Nervi 1957) o

35 Folded plate roof for gymnasium and cafeteria US (Ketchum)

36 Church OverLand park Kansas (US)

37 Parque Fundidora, Monterrey, Mexico lomenice na bázi oceli

38 Jednovrstvé strukturální konstrukce ohybově měkké gridshell

39 Příklady strukturálních konstrukcí v přírodě radiolaria (prvok 0,1-0,05 mm) oko hmyzu atomární struktury

40 Strukturální válcová klenba jednovrstvé dvouvrstvé (nad 36 m rozponu) stabilita se zajišťuje čely a vloženými oblouky, ohybovou tuhostí (dvouvrstvé) nebo táhly a),b),c) příklady uspořádání prutů jednovrstvé válcové strukturální klenby, d) dvouvrstvá strukturální klenba, e) prolamovaná a příhradová lamela, f) uspořádání prutů dvouvrstvé strukturální klenby, 1- lamela z trubkového průřezu, 2- tuhé čelo, 3- prolamována lamela, 4- příhradová lamela

41 Passage of Upper Trading Rows (GUM) in Moscow (Suchov) struktura ztužená táhly

42 Lamelová klenba

43 2005 Serpentina Gallery London, U.K. (Alvaro Siza)

44 Strukturální kopule zpravidla jednovrstvé charakter tenké skořepiny stabilita je zajištěna prostorovým působením (u dvouvrstvých kopulí také ohybovou tuhostí) a) Schwedlerova struktura, b) Fopplova struktura, c) Fullerova struktura, d) struktura použitá na zastřešení pavilonu Z (výstaviště Brno), e) geodetická struktura, f) použití struktury pro zastřešení ve tvaru kužele, g) použití struktury pro zastřešení ve tvaru translační plochy

45 Materiálové varianty strukturálních konstrukcí

46 Styčníky strukturálních soustav na bázi kovu a) styčník systému MERO, b) styčník systému TRIODETIC, c) styčník systému GYRO II, d) styčník systému UNISTRUT, e) styčník dvouvrstvé klenby, f) styčník jednovrstvé klenby, 1- prostorový kulový styčník, 2- prut příhradové struktury, 3- šroub, 4- převlečná matice, 5- prostorový styčník z tvarovaného plechu, 6- šroubové spojení, 7- svislý stabilizační prut, 8- vnitřní prut struktury, 9- prut dolního pásu struktury, 10- dolní část svěrného talíře, 11- horní část svěrného talíře, 12- výsečový plech, 13- spojovací matice, 14- prostorový válcový styčník, 15- svěrný šroub, 16- lamela dvoupásové struktury, 17- styčníkový plech, 18- lamela jednopásové struktury

47 Styčníky strukturálních soustav na bázi dřeva dřevěné pruty nebo lamely se spojují pomocí kovových prvků a) styčník prostorové lamelové struktury, b) styčník kosoúhlé lamelové sítě, c) styčník jednovrstvé lamelové struktury, 1- dřevěná lamela, 2- ocelový spojovací svorník, 3- ocelový prostorový styčník, 4- ocelové táhlo, 5- vložený styčníkový plech, 6- šroubové spojení, 7- styčníkový prvek podle:

48 1900 Production hall, Vyksa - Rossia (Suchov Vladimir)

49 The Riverside Museum Glasgow strukturální lomenice

50 1983 Tacoma Dome, Washington - U.S. (McGranahan) rozpětí 161m

51 2000 Great Court at the British Museum, London - UK (Foster)

52 2005 Vela, Milano - Italy (Massimiliano Fuksas)

53 Takenaka Corporation, Nagoya Dome, Japan

54 Jednovrstvé strukturální konstrukce ohybově tuhé

55 Italian Airforce hangars at Orvieto (Nervi, L ) předepjatá železobetonová lamelová struktura rozpon 41 x 100 m

56 Station Hall návrh (Nervi, L ) o rozpon 200 m, předepjatý beton

57 Faculty of Law, Cambridge, UK dvouvrstvá struktura

58 ELBBRUCKEN-STATION (project)

59 Dvouvrstvé strukturální konstrukce space truss

60

61 Strukturální konstrukce plošně působící konstrukce s ohybovou tuhostí využití pro desky, prostorové rámy, klenby a kopule a) ortogonální příhradová roštová struktura, b) trojúhelníková příhradová roštová struktura, c) ortogonální příhradová prostorová struktura, d) trojúhelníková příhradová prostorová struktura, 1- horní tlačné pásy příhradového roštu, 2- dolní tažené pásy příhradového roštu, 3- diagonály příhradového roštu, 4- pruty horní tlačené osnovy, 5- pruty dolní tažené osnovy, 6- prostorové diagonál

62 Principy deskového působení obousměrné ohybové působení obousměrné kroutící působení

63 Obousměrně pnutá roštová konstrukce diagonály spojující spodní a horní osnovu jsou nad sebou deska nemá tuhost ve vlastní rovině nepřenáší kroutící momenty dvojsměrná (b) a trojsměrná (a,c) deska trojúhelníkový, ortogonální a šestiúhelníkový půdorys

64 Obousměrně pnutá desková konstrukce (s torzní tuhostí) dvousměrné a trojsměrné příhradové desky a) půdorys a boční pohled na příhradovou ortogonální desku, b) půdorys a boční pohled na trojsměrnou desku

65 Podepření strukturálních konstrukcí velké koncentrace smykových sil u podpor

66 Příklady strukturálních deskových konstrukcí aplikace na ortogonálním a trojúhelníkovém půdorysu (a,b) spojitá dvousměrná deska (c) čtvercové (a,c) a kosočtverečné (b) sítě o

67 Příklad strukturálního prostorového rámu o velká variabilita tvarů, podpor i půdorysů

68 US Pavilon Montreal Expo 67 (B. Fuller 1967)

69 Biosféra Eden Cornwall (GB) Dvouvrstvá strukturální kopule (systém Mero)

70 Lanové sítě a membrány

71 Základní principy stabilizace tvaru tažené konstrukce pomocí předpětí (viz přednáška tažené konstrukce) staticky účinný opěrný systém (viz přednáška tažené konstrukce)

72 2012 VeloPark London G.B., 2012

73 THTR-300 cable-net dry cooling tower (Germany)

74 Denver International Airport

75 Pavillion Downtown Wellington Australia

76 Tensegrity

77

78 Historie vynález R. Buckminster Fuller 1961 oddělení tahu a tlaku v konstrukci

79 Sculpture

80 Needle tower by Kenneth Snelson

81 Tensegrity domes

82 1992 Georgia Dome, Atlanta - USA (Scott Braley) délka 227m

83 Konstrukce ve tvaru minimální plochy

84

85 Konstrukce ve tvaru minimální plochy lze získat experimentálně ponořením drátu představujícího dané okraje do mýdlového roztoku, nebo výpočtem je namáhána ve všech místech stejně velikými tahovými napětími hlavní křivosti v libovolném bodě plochy jsou stejně velké, ale mají opačná znaménka

86 Konstrukční využití principu z hlediska napjatosti je ideální plošnou konstrukcí lze provést lanovou sítí, skořepinou

87 Německý pavilon Expo 67 Montreal (Frei, O. 1972) Georgia dome -

88 Stromové sloupy

89 1998 Gare do Oriente, Lisabon - Portugal (Calatrava)

90 1991 Stansted Airport UK (Foster)

91 Konstrukce obvodových stěn velkých výšek (téma nebylo z časových důvodů zařazeno)