Konstrukce namáhané převážně tahem
Tažené konstrukční systémy 1. visuté konstrukce 2. zavěšené konstrukce 3. pneumatické konstrukce materiálové varianty o ocelová lana o lepené dřevo o membrány
Rozdělení tažených konstrukčních systémů - příklady
Zavěšené konstrukce
Řetězové mosty (Schnirch 1839, 1848) most císaře Františka I (Schnirch 1839), rozpon 132m most přes Vltavu v Podolsku (Schnirch 1848) mosty ze stejného období jako Lán híd v Budapešti
Příklady zavěšených konstrukcí I a) symetrická soustava na středním pylonu, b) jednostranná soustava s prolamovaným konzolovým nosníkem, c) soustava zavěšená na obloukových nosnících, d) symetrická soustava s krajními pylony, 1- tlačený pylon, popř. oblouk, 2- střešní nosník, 3- táhlo, 4- vaznice
Příklady zavěšených konstrukcí II
Charakter působení zavěšených konstrukcí Statické působení: nosník táhla opěrná konstrukce zachycení tahových sil
Zavěšené konstrukce konstrukce opěrná (pylony, oblouky) jedná se o tlačené kosntrukce nutno dimenzovat na vzpěr součástí opěrné konstukce je kotvení zachycení tahových sil v podepření problém tuhosti podepření systém zavěšení (svazkové, paralelní) tuhost podepření závisí na geometrickém uspořádání síla závisí na vzájemném úhlu táhla a konstrukce výhodné symetrické uspořádání konstrukce zavěšená (nosníky, rámy) netuze podepřená konstrukce
Renault Distribution Centre Swindon (Foster 1983)
Olympijský stadion v Mnichově (Frei, O 1972)
Millennium Dome in London (2000)
Visuté konstrukce
Vnitřní síly ve visutém prvku Způsob přenášení vnějšího zatížení Inverzní k tlačené konstrukci
Specifické vlastnosti visuté konstrukce (porovnání s obloukem) visutá konstrukce není namáhána vzpěrem (výhoda) visutá konstrukce je tvarově neurčitá (nevýhoda) visutá konstrukce v podepření vyvozuje horizontální síly vysoko nad terénem (nevýhoda)
Materiálová řešení visuté konstrukce kovové prvky (lana, struny, plechové membrány) lepené dřevo plasty, kompozity vláknocement
Řetězový krov Banská Bystrica (Schnirch 1835) Reťazová strecha (na Námestí Štefana Moysesa) krokve tvořeny řetězy střední opěrná konstrukce podobná konstrukce byla ve Strážnici (1824) motivací byla ochrana proti ohni... světově první známá visutá konstrukce zastřešení
Výstavní pavilony v Nižném Novgorodě ( Šuchov 1895)
Principy stabilizace visutých střech
Příčiny a důsledky tvarové neurčitosti konstrukce bez ohybové tuhosti MUSÍ přenášet zatížení normálovými silami tvar konstrukce se přizpůsobí tvaru výslednicové čáry působícího zatížení zatížení není konstantní konstrukce se kinematicky deformuje velikost deformace nemá souvislost s mírou namáhání konstrukce
Deformace střešní plochy visuté konstrukce Mezní deformace je vhodné kvantifikovat: změnou natočení (první derivace průhybu) zakřivením střešního pláště (druhá derivace průhybu) 2 dw d w w a w 2 dx dx
Stabilizace visutého zastřešení Velikost průvěsu visuté konstrukce s ohybovou tuhostí EJ z i ve stavu i, resp. z i+1 ve stavu i+1 lze vyjádřit z momentové podmínky rovnováhy k bodu x : i ( x) Hizi ( x) 0 resp: ( x) H z ( x) w( x) EJ i1 i1 i1 0 kde : w( x) EJ vyjadřuje účinek ohybového momentu vyvolaného jeho zakřivením Průhyb konstrukce w i+1 vyjádříme jako rozdíl průvěsů, tj. i i w EJ H i w zi zi 1 1 1 i 1 i wej H H H H H a odtud derivací : i1 i i i i1 w 1 H i H Hi i 1 q i1 q i w IV EJ
Možnosti tvarové stabilizace: vlastní hmotností zmenšením počátečního průvěsu stabilizací předpjatými vlákny ohybovou tuhostí smykovou tuhostí střešní plochy kombinací uvedených způsobů w 1 H i H H i i1 q i1 q i w IV EJ
Stabilizace zvýšením vodorovné síly zvýšení vlastní tíhy zmenšení průvěsu zmenšení průvěsu vede ke zvýšení vodorovné síly (tj. ke stabilizaci) problém reakcí v podporách Maculanovy střechy (spojitý systém podepření)
Principy lanových vazníků stabilizující pasivní přitížení nahrazeno předpětím při zatížení sněhem se redukuje předpětí redukce vodorovných sil
Varianty konstrukcí stabilizovaných předpětím konvexní, konkávní a kombinované Jawerthovy vazníky lanové sítě
Stabilizace ohybovou tuhostí tahové i ohybové působení tah přenáší zatížení na velké rozpětí ohyb lokálně stabilizuje konstrukci optimální míra ohybové tuhosti
Jawerthův vazník ohybově tuhý lanový vazník ohybová tuhost tahové předpětí smykové spojovací prostředí
Předpětí střešního pláště montážní zatížení pláště zmonolitnění pláště odtížení pláště předpětí
Deformabilita visuté konstrukce visutá konstrukce je tvarově neurčitá (jedná se o kinematický mechanizmus) tvar konstrukce je afinní k výslednicové čáře aktuálního zatížení deformace nejsou úměrné namáhání deformabilitu popisujeme pomocí derivací průhybové křivky
Působení základních typů zastřešení na opěrný systém vazníkové konstrukce - svislá reakce vysoko nad terénem (vzpěr) rámové konstrukce svislá reakce a ohybový moment (ohyb, vodorovná síla) obloukové konstrukce šikmá síla v úrovni terénu visuté konstrukce šikmá síla vysoko nad terénem
Charakter opěrných systémů tažených konstrukcí (visutá, zavěšená, pneumatická) tahová síla vysoko nad terénem (visuté, zavěšené) tahová síla směrem nahoru (nízkotlaké pneumatické) tahová síla v základech
Varianty opěrných systémů (obecné schéma)
Opěrné systémy visutých konstrukcí Příklady opěrných systémů visutých systémů nejefektivnější jsou uzavřené a spojité systémy a) spojitý opěrný systém, b) spojitý uzavřený (axiální) opěrný systém z příhradových nosníků, c) uzavřený opěrný obvodový rám, d) radiální opěrný systém z kruhového rovinného prstence, e) opěrný systém z šikmých opěrných oblouků
Otevřené systémy podepření
Varianty otevřených systémů podepření
Vícestupňový systém otevřeného podepření
Plavecký stadion Wuppertal, Německo (Leonhardt 1956) podle: www.e-architekt.cz
Uzavřené systémy podepření
Arena Raleigh, USA (Novicky 1952)
Olympic stadium Tokio (Kenzo Tange 1964)
Olympic Saddledome, Calgary (Graham McCourt Architects1988 )
Vnější prstenec tažené konstrukce rozklad zatížení do osových sil v lanech rozklad reakcí lan do tlakové síly v prstenci
Fotbalový stadion Lužánky (studie 2008) vnitřní prstenec
Vnitřní a vnější prstenec tažené konstrukce
Vnitřní a vnější prstenec tlačené konstrukce (inverzní pricnip)
Spojité systémy podepření
Maculanovy střechy
Pneumatické konstrukce
City in the Antarctica (Frei, O, K.Tange, Arup 1971) studie proveditelnosti zastřešení města pro 40.000 obyvatel (rozpětí 2 km)
Americký pavilon Expo Osaka (Fuller, B. 1970)
Airtecture - Pneumatic constructions Germany (Festo 1996)
Airplane Stingray
Konstrukční principy pneumatických konstrukcí vnitřní přetlak vytváří tahové předpětí Podmínky membránové napjatosti: T 0 1 T 0 2 T.T T 2 1 2 1,2 Základní konstrukční principy: konstrukce s pneumaticky předepjatými nosnými žebry konstrukce s vnitřním přetlakem v uzavřeném dvouvrstvém plášti konstrukce zakrývající vnitřní prostor jednoplášťovou nosnou membránou s vnitřním přetlakem.
Základní rozdělení pneumatických konstrukcí nízkotlaké (nesené přetlakem vnitřního vzduchu) (0,1-0,3 kpa) středotlaké (čočkové, polštářové) vysokotlaké (žebra, oblouky) (100-500 kpa)
Nízkotlaké pneumatické konstrukce přetlak 0,11,5 kpa přetlak p působí rovnoměrně a kolmo ke střednicové ploše pláště tahové předpětí zakřivené plochy pláště a) schéma působení vnějšího zatížení a vnitřního přetlaku, b) schéma napjatosti pláště, c) složkový obrazec, d) výslednicová čára (tvar střednice) pneumatického zastřešení, 1- membrána pláště
Kotvení k základové konstrukci Tahové namáhání základové spáry lze eliminovat: tíhou základové konstrukce (betonem, pískem,vodou), aktivací tíhy zeminy (zemní kotvy, kotevní desky a stěny) tíhou opěrné konstrukce (opěrné stěny, tribuny, konstrukce budov, věží apod.). a) kotevní deskou, b) hmotností základové konstrukce, c) hmotností vaku s vodou nebo pískem, d) pomocí zemních kotev, e) kotvení hmotností spodní stavby
Namáhání membrány Velikost namáhání membrány závisí na vlastním poloměru křivosti velikosti přetlaku nutné ke stabilizaci konstrukce
Princip vícestupňové nízkotlaké konstrukce membrána přenáší plošná zatížení (přetlak a zatížení) na malé rozpětí lana přenáší zatížení na velké rozpětí
Pontiac Silver Dome (1983)
Zastřešení s vnitřním přetlakem (středotlaké) uzavřený dvouvrstvý plášť konvexní, konkávní a) dvouvrstvá (čočková) konstrukce stabilizovaná vnitřním přetlakem, b) dvouvrstvá (polštářová) konstrukce stabilizovaná vnitřním podtlakem, c) dvouvrstvá konstrukce stabilizovaná kombinací podtlaku a přetlaku, 1- nosná membrána, 2- stabilizační membrána, 3- vnitřní přetlak, 4- vnitřní podtlak
Příklady
Konstrukce s nosnými pneumatickými žebry (vysokotlaké) vnitřní předpětí umožňuje přenášet ohybová namáhání přetlak 20-650kPa a) schéma působení zatížení a vnitřních sil na pneumatický nosník, b) schéma působení zatížení a vnitřních sil na pneumatický sloup,c) schéma působení zatížení a vnitřních sil na pneumatické žebro (oblouk).
Příklady vysokotlakých pneumatických konstrukcí vysoký přetlak vyžaduje kvalitní materiály (nevýhoda) poměrně malá únosnost (... malá rozpětí) vnitřní prostředí bez přetlaku
Polni nemocnice (firma TradeWays USA)
Avon foto: P. Hájek
Kombinované pneumatické konstrukce Tensairity tenká deska přenáší tlak spirálová vlákna přenáší tah pneumatická konstrukce stabilizuje desku a předepíná táhla http://www.technet-alliance.com/uploads/tx_caeworld/pressure-induced-stability_bionics2004_tensairity.pdf