Tlačené konstrukce
Působení a vlastnosti obloukové konstrukce
Typy obloukových konstrukcí rovinné působení jednostupňové strukturální vícestupňové válcová klenba válcová dvouvrstvá struktura oblouková konstrukce v axiálním i radiálním uspořádání prostorové působení krátká válcová skořepina, skořepina ve tvaru kopule krátká válcová struktura, strukturální kopule (jedno i dvouvrstvá) vícestupňové strukturální konstrukce
Statické působení obloukové konstrukce Účinek zatížení a svislé reakce na oddělené části vyvolává ohybový moment M, který musí být v rovnováze s účinkem dvojice sil vodorovné reakce a vodorovné tlakové síly na rameni f(x)
Rozklad zatížení do výslednicové čáry
Vztah tlačené a tažené konstrukce (inverzní princip)
Vliv výšky výslednicové čáry na velikost sil (vodorovná síla a normálové síly v konstrukci)
Princip HUP CUK mechanizmus vhodný k vyvození velkých sil natáhnu lano (ocelové), příčně zatížím a dotáhnu...
Optimalizace tvaru obloukové konstrukce Předmětem optimalizace může být: tvar oblouku v závislosti na zatížení (kvůli omezení ohybových namáhání) výška oblouku (vliv na velikost normálové síly v oblouku a vodorovné reakce, vliv na vzpěrnou délku) způsob podepření (vliv na vzpěrnou délku, vliv na napjatost od vynucených zatížení (teplotou, dotvarováním, poklesem podpor)
Vztah tvaru výslednicové čáry a momentového obraze moment vnějšího zatížení a svislé reakce je zachycen v tlakové (tahově) působící konstrukci součinem H.f tvar konstrukce s čistě normálovým namáháním (tažené či tlačené) lze získat jako podíl ohybového momentu na prostém nosníku a vodorovné síly
Experimentální stanovení tvaru výslednicové čáry tvar tlačené konstrukce zatížené svislým zatížením lze získat experimentálně tak, že zatížíme dokonale ohebné vlákno stejného rozpětí a zjištěný tvar zrcadlově otočíme okolo vodorovné osy
Michalangelo,: St.Peter s dome (1506-1626) ke stanovení optimálního tvaru tlačeného oblouku (klenby) bylo použito podobnosti taženou konstrukcí zatíženou shodným zatížením kuličky na provázku
Antonio Gaudi: Colonia Guell chapel (1899) ke stanovení optimálního tvaru tlačeného oblouku (klenby) bylo použito podobnosti taženou konstrukcí zatíženou shodným zatížením kuličky na provázku
Vztah mezi výškou oblouku a velikostí vodorovné síly (vysoké oblouky) P1 P2 P3 polygon of forces funicular polygon (curve) P1 H P2 P3
Tvarování tlačené konstrukce podle převládajícího zatížení podmínkou čistě tlakového namáhání je soulad mezi výslednicovou čárou zatížení a tvarem střednice oblouku čistě ohybové namáhání nelze trvale zajistit vzhledem k proměnnosti zatížení Tvarování obloukové kosntrukce pro různá zatížení a) rovnoměrné zatížení po vodorovné (parabolický oblouk), b) rovnoměrné zatížení po délce konstrukce (řetězovka), zatížení poloviny oblouku (úsečka a parabola), dvě síly (polygon)
Materiálové varianty tlačených konstrukcí konstrukce oblouku přenáší zatížení tlakem pro přenesení lokálních zatížení a stabilizaci vzpěru je nutná ohybová tuhost Materiály přenášející tah i tlak - dřevo, ocel, železobeton výhodné použití pro všechny typu konstrukcí (oblouky, strukturální i skořepinové konstrukce) Materiály přenášející pouze tlak - kamenné a cihelné zdivo oblouk musí být předepjat napětím od vlastní tíhy (klenby) konstrukce musí být dostatečně masivní aby výslednicová čára od stálého a nahodilého zatížení zůstala v jádře průřezu (1/3 výšky průřezu) Materiály přenášející pouze tah tenké membrány průřez oblouku musí být dostatečně předepjat přetlakem vnitřního vzduchu aby tahová rezerva mohla eliminovat vznik tlakových napětí (vysokotlaké pneumatické konstrukce) pozn. : Tyto konstrukce jsou obvykle řazeny k převážně taženým, ale jedná se v podstatě o předepjaté tlačené konstrukce
Zachycení vodorovných sil obloukových konstrukcí opěrné systémy uzavřené (a) opěrné systémy otevřené (b) opěrrné systémy spojité (c)
Zachycení vodorovných sil obloukových konstrukcí
Obecný princip - zachycení vodorovných sil a ohybových momentů
Opěrné systémy obloukových konstrukcí halových objektů a) opěrná základová konstrukce, b) přitížení paty oblouku přístavkem (úprava směru reakce v podepření), c) opěrná konstrukce namáhaná osovými silami, d) alternativy opěrné konstrukce namáhané osovými silami, e) opěrná rámová konstrukce, f) zachycení vodorovné obloukové síly táhlem v úrovni základové konstrukce, g) zachycení vodorovné obloukové síly táhlem v úrovni zhlaví opěrné konstrukce 1- oblouk, 2- táhlo oblouku, 3- základová konstrukce, 4- opěrná rámová konstrukce, 5- sloupová podpěra, 6- přístavek, 7-táhlo, 8- vzpěra
Statická a tvarová neurčitost obloukových konstrukcí staticky neurčité oblouky jsou citlivé na vynucené deformace (sedání, teplotní změny) čtyřkloubový oblouk je tvarově neučitý oblouk s vodorovně netuhým podepřením přenáší svislé vnější zatížení jako nosník
Příčná tuhost obloukových soustav vůči příčnému zatížení větrem je oblouk ve své rovině zpravidla dostatečně tuhý (musí mít dostatečnou tuhost kvůli stabilitě) (A) případné podélné ztužidlo má zpravidla pouze pomocnou funkci (B)
Podélná tuhost obloukových soustav vodorovné zatížení větrem působící na štít je přeneseno příčně zatíženými sloupky opřenými do příčného střešního ztužidla (A) nebo tuhého střešního pláště (B) 1- sloupky obvodového pláště ve štítové stěně, 2- ztužidlo tvořené oblouky, vaznicemi a smykovým prostředím (diagonály jednoduché či násobné ), 3- vaznice nebo vzpěry propojující ostatní oblouky, 4 tuhý střešní plášť
Příklad obloukové konstrukce
Stabilita tlačených oblouků Stabilita obloukové konstrukce: v rovině oblouku (a) z roviny oblouku (b) viz princip stabilita tlačené konstrukce
Obecná opatření k zajištění stability tlačené konstrukce Kritická síla, při které tlačený prvek vybočí, závisí na ohybové tuhosti prvku a vzpěrné délce (délce a způsobu uložení prvku) Možná konstrukční opatření: zvýšit tuhost průřezu = zvýšit výšku nebo zvýšit efektivnost uspořádání hmoty v průřezu omezit vzpěrnou délku = přidat podepření (vazby)
Obecný princip - stabilizace tvaru tlačených konstrukčních prvků Kritická síla, při které tlačený prvek vybočí, závisí na ohybové tuhosti prvku a vzpěrné délce (délce a způsobu uložení prvku)
Stabilita oblouků - vybočení v rovině oblouku Vlastní ohybovou tuhostí Aplikace principu vnějších táhel ( vzpinadlo ) Spolupůsobením s jinou konstrukcí (nosník, oblouk, táhlo)
Smykovým spolupůsobením s jinou konstrukcí Zkrácením vzpěrné délky
Prostorovým působením
Oblouky stabilizované vlastní ohybovou tuhostí jedná se o nejčastější řešení v příčném směru je potřebná tuhost zajištěna příčnými ztužidly a v rovině ztužidla tuhost dává dostatečně vysoký průřez oblouku ohybová tuhost průřezu oblouku je obdobně jako u ohýbaných konstrukcí zajištěna spolupůsobením tlažené a tažené části pomocí smykového spojovacího prostředí (příhrada, plná stěna, vierendeel). tuhosti lze dosáhnout profilováním prizmatických průřezů lomenice, skořepiny
Oblouková hala z lepeného dřeva
1923 Hangar at Orly, Orly - France (Freissinet Eugen)
Oblouková hala z betonu
Haly systému K-Span - MIC 120 ABM (USA) rozpon do 22 m (s podpůrnou konstrukcí do 45 m)
1971 Papal Audience Hall, Vatican - Vatican (Nervi)
Oblouky stabilizované vnějšími táhly (princip vzpinadla ) záměrným odchýlením tvaru střednice od tlakové čáry dochází k trvalému ohybovému zatížení částí oblouku, které lze efektivně zachytit vnějším táhlem (princip vzpinadla)
2006 Berlin Hauptbahnhof Germany, Berlin - Germany (Gerkan)
1988 International Rail Terminal Waterloo London (Grimshaw)
Oblouky stabilizované spolupůsobením s jinou konstrukcí (nosník, oblouk, táhlo) stabilizace ohybově tuhou konstrukci (A-C) stropu, střechy, apod spolupůsobení dvou oblouků (D)
2004 Athens Olympic Sports Complex, Athenas - Greece (Calatrava)
Oblouky stabilizované smykovým spolupůsobením s jinou konstrukcí
Oblouky stabilizované zkrácením vzpěrné délky
Stablizace obloukové střechy táhly - GUM Moscow (Suchov
Stabilizace pláště vzducholodi táhly
Oblouk stabilizovaný stěnou
Tlačené konstrukce stabilizované prostorovým působením
Kopule vybočení prvku brání zakřivení ve směru kolmo ke směru vybočení
Klášterní a křížová klenba klášterní klenba křížová klenba
1900 Production hall, Vyksa - Rossia (Suchov Vladimir) dvakrát zakřivená jednovrstvá strukturální konstrukce
2000 Great Court at the British Museum, London - UK (Foster) dvakrát zakřivená jednovrstvá strukturální konstrukce
1995 Faculty of Law, University of Cambridge, Cambridge - UK (Foster) krátká válcová dvouvrstvá strukturální konstrukce
Vliv uložení oblouku a vnitřních kloubů na vzpěrnou délku
Stabilita oblouků vybočení z roviny oblouku
Vybočení z roviny oblouku lze bránit: vlastní ohybovou tuhostí oblouku z roviny oblouku (prostorově působící profil oblouku trojboký, čtyřboký (1) spolupůsobení dvou oblouků formou ztužidla (příhradové, plnostěnné) (2) tuhostí střešního pláště (3)
Příklad řešení ztužidla a) zajištění tuhosti příhradovými prutovými ztužidly, b) zajištění tuhosti tuhými plošnými deskami, 1- oblouk, 2- vazničky, 3- diagonální ztužidla, 4- desky střešního pláště
Ztužidlo obloukové konstrukce (proti vybočení z roviny oblouku)
2006 Haptbahnhof Dresden - Germany (Foster) Oblouk s vlastní podélnou tuhostí (proti vybočení z roviny oblouku)
Obloukové konstrukce na bázi dřeva
Dřevěné obloukové soustavy trojkloubový oblouk konstantního nebo proměnného lepeného průřezu l 100 m trojkloubový segmentový oblouk lepeného průřezu l 60 m dvoukloubový oblouk s táhlem, lepený průřez l 20-40 f 0,1351 h l / 50
Dřevěné obloukové soustavy trojkloubový oblouk konstantního nebo proměnného lepeného průřezu trojkloubový segmentový oblouk lepeného průřezu l 100 m l 60 m dvoukloubový oblouk s táhlem, lepený průřez dvoukloubový oblouk konstantního nebo proměnného průřezu, lepený průřez dvoukloubový oblouk, příhradový /průřez se stojinami z překližky l 20-40 f 0,1351 h l / 50 l 20-90 f = 1/4-1/6 h l / 50
Úpravy podporových a vrcholových kloubů oblouků na bázi dřeva a) úprava vrcholového kloubu pomocí ocelových deskových příložek, b) kloubové uložení paty oblouku pomocí ocelového čepu, c) kloubové uložení paty oblouku mezi pásové kotevní průřezy d) kloubové uložení paty oblouku mezi kotevní ocelové prvky průřezu 1- průřez dřevěného oblouku, 2- betonový základ, 3- ocelové kotevní profily průřezu U, 4- spojovací šrouby, 5- obrubní ocelová botka, 6- ocelové kotevní pásové profily, 7- ocelový roznášecí prvek, 8- ocelový kotevní prvek, 9- ocelový čep kloubu, 10- ocelové příložky
Obloukové konstrukce na bázi betonu
Výstavní pavilon A Brno (E. Králík, 1928)
Charakteristická řešení obloukových konstrukcí na bázi betonu a) oblouk plného průřezu, popř. s prolamovanou stojinou, b) příhradový oblouk, c) oblouk ze zvlněných a prolamovaných skořepinových dílců, 1- plný průřez, 2- prolamovaný průřez, 3- příhradový průřez, 4- tenkostěnný zvlněný nebo zalamovaný průřez výhodné jsou trojkloubové oblouky s dodatečně zmonolitněnými spoji eliminace sedání staticky účinné
Obloukový vazník a) oblouk s táhlem v úrovni horního líce opěrné konstrukce, b) obloukový vazník s železobetonovým horním pásem1- oblouk, 2- táhlo, 3- závěs, 4- diagonální závěs, 5- rektifikační článek
Obloukové konstrukce na bázi oceli
Příklady ocelových oblouků a) plnostěnný oblouk truhlíkového průřezu a průřezu, b) trojkloubový příhradový oblouk rovinného průřezu, c) dvoukloubový příhradový oblouku s prostorovým uspořádáním příčného řezu, d) dvoukloubový příhradový oblouk rovinného průřezu, e) trojkloubový příhradový oblouk s táhlem, f) dvoukloubový plnostěnný oblouk s táhlem a závěsy, g) trojkloubový příhradový oblouk s prostorovým uspořádáním příčného řezu s mimostředně umístěným vrcholovým kloubem, h) dvoukloubový obloukový vazník s nadvýšením dolního pasu, i) dvouklobový oblouk s táhlem a diagonálními závěsy
Kamenné a cihelné klenby oblouk musí být předepjat napětím od vlastní tíhy (klenby) konstrukce musí být dostatečně masivní, aby výslednicová čára od stálého a nahodilého zatížení zůstala v jádře průřezu (1/3 výšky průřezu)
Vysokotlaké pneumatické konstrukce průřez oblouku musí být dostatečně předepjat přetlakem vnitřního vzduchu aby tahová rezerva mohla eliminovat vznik tlakových napětí (vysokotlaké pneumatické konstrukce)
Výhody, nevýhody, použití obloukových konstrukcí Výhody: účinné působení při přenášení svislých zatížení zatížení přenáší převážně tlakem velké rameno vnitřních sil dané výškou konstrukce Nevýhody: nutno stabilizovat proti vybočení v konstrukci působí normálová síla nutnost zachytit vodorovné reakce výrobně složitější tvar konstrukce někdy nevyhovuje účelu (např. pro logistické provozy) citlivost vůči vynuceným deformacím Použití: konstrukce se středními a velkými rozpony