TENNECT. Technische Beschreibung

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1 TENNECT Technische Beschreibung Stand:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Bestimmung der Bauteilgröße Allgemeines Ermittlung der Auflagerkräfte Wahl der Bauteilgröße Bestimmung der Komponenten Kontrolle der Winkelstellung Abstimmung TENNECT Bauteile - Membranfläche Allgemeines Bauteilabmessungen Bemessung des TENNECT System Ungleiche Seilkräfte am TENNECT System Allgemeines Überprüfung der Biegebelastung Anschluss eines Gurtes Vorspannen mittels Seilspannzylinder

3 1. Bestimmung der Bauteilgröße 1.0. Allgemeines Die Bestimmung der TENNECT Bauteilgrößen soll im Folgenden an einem einfachen Beispiel erläutert werden. Gegeben sei eine Membrane mit dem Rasterabstand 5m x 5m. Die Stützen weisen eine Länge von 2,5m bzw. 3,5m auf. An jedem Stützenkopf soll die Membrane mittels TENNECT Bauteil an die Stütze angeschlossen werden. Rendering Im ersten Schritt erfolgt die Formfindung der Membrane. Abhängig vom Vorspanngrad der Membrane und des gewünschten Seilstichs ergibt sich die Membranform. Die Eckpunkte werden starr gehalten. 3

4 Eingabe Formfinder 4

5 1.1. Ermittlung der Auflagerkräfte Im Folgenden werden für die ermittelte Membranform die Auflagerkräfte ermittelt. In diesem Beispiel sei die Membrane durch eine Schneelast belastet. Maßgebend für die Bestimmung der Bauteilgröße ist die resultierende Auflagerkraft, die sich aus den einzelnen Komponenten der Richtungen x, y und z ergibt. Vektorielle Ausgabe der Auflagerkräfte 5

6 1.2. Wahl der Bauteilgröße Für die Bestimmung der Bauteilgröße ist der Bemessungswert nach DIN der Auflagerkraft heranzuziehen. Dieser enthält die Teilsicherheitsbeiwerte sowie eventuell die Kombinationswerte der DIN N Ed = γ * N Ek = 1,5 * 61,66 kn = 92,5 kn Das Befestigungssystem TENNECT ist derzeit erhältlich in den Bauteilgrößen 25,100 und 200. Die Größe 100 stellt den Bemessungswiderstand nach DIN dar. Nachweis der Bauteilgröße: N Ed = 92,5 kn < 100 kn = N Rd Für dieses Projekt ist die Bauteilgröße 100 zu verwenden. 6

7 Die gleiche Vorgehensweise ist bei den Randseilen anzuwenden. Spannung der Membrane, Kräfte der Randseile Nr. N K N Ed Seil Z R,d 1 35,5 kn 53,3 kn 12 mm 59,0 kn 2 35,5 kn 53,3 kn 12 mm 59,0 kn 3 35,5 kn 53,3 kn 12 mm 59,0 kn 4 35,5 kn 53,3 kn 12 mm 59,0 kn Tabelle: Bestimmung der Seile 7

8 1.3. Bestimmung der Komponenten Das System TENNECT besteht aus einzelnen Komponenten, die abhängig von der Bauteilgröße und den individuellen Gegebenheiten zusammengestellt werden. In diesem Beispiel soll die Membrane, wie in der folgenden Grafik dargestellt, befestigt werden. Grafik: Membranecke Extrusionszeichnung Mit der Bauteilgröße des TENNECT Systems, die in diesem Beispiel NRd = 100 kn ist, und des Seildurchmessers Ø 12 mm, können die benötigten Bauteile aus dem TENNECT Katalog entnommen werden. Zur leichteren Handhabung sind die Bauteilgrößen farblich markiert. Bauteile, deren Nenngröße 100 ist, sind z.b. gelb markiert und können auch nur mit gelb markierten Bauteilen kombiniert werden. 8

9 Aufbau TENNECT System 1.4. Kontrolle der Winkelstellung Das TENNECT System ist darauf ausgelegt möglichst flexibel genutzt werden zu können. Die Befestigung mittels Kugel ermöglicht eine Verdrehung um den Kugelmittelpunkt. In der folgenden Grafik ist die maximale Winkelverstellung je nach Richtung dargestellt. Die tatsächlich vorhandene Verdrehung kann aus der Formfindung oder einer statischen Berechnung ermittelt werden. 9

10 Verstellmöglichkeit der Kugelhalter N und W 10

11 Screenshot CAD-Programm Im vorliegenden Fall wird die Verdrehung aus dem CAD Pogramm entnommen. Die Gewindestange des TENNECT Details weist in der xy-ebene einen Winkel von 45 auf und neigt sich um 13,9 nach unten. Da 19 in z-richtung nach unten möglich sind, ist die Verdrehung ohne Probleme möglich. 11

12 1.5. Überprüfung der Tragfähigkeit der Flügelplatten Die Belastbarkeit der Flügelplatten ist abhängig von der Winkeleinstellung. Das System ist für die üblich vorkommenden Winkel ausgelegt. Eine Überprüfung ist trotzdem auf jedem Fall ratsam. Ausrichtung der Winkel Im vorliegenden Fall wird das Bauteil ISK F100-S12 verwendet. Die Belastung von N Ed = 59 kn kann bei jedem beliebigen Winkel aufgenommen werden, wie aus der folgenden Grafik entnommen werden kann. 12

13 maximale Tragfähigkeit des Bauteils ISK-F. 13

14 2. Abstimmung TENNECT Bauteile - Membranfläche 2.0. Allgemeines Eines der größten Fehlerquellen im Bereich des Membranbaus ist die Schnittstelle zwischen den Gewerken Stahlbau und der Membrankonfektion. Häufig liegt die Planung des Stahlbaudetails und der Membrankonfektion in unterschiedlichen Händen. Die Kommunikation zwischen den Beteiligten ist sehr wichtig, besonders wenn für jedes Detail ein neues System entworfen und verwendet werden soll. Bei mangelnder Absprache sind Fehler unvermeidbar. Das System TENNECT ist ein Serienprodukt dessen Bauteilgrößen und Abmessungen bekannt sind. Dadurch wird die Schnittstelle Stahlbau und Membrankonfektion wesentlich vereinfacht. Die Kommunikation zwischen den Planungsinstanzen wird stark vereinfacht, da alle Beteiligten auf der gleichen Basis planen können. Im Folgenden wird eine mögliche Abstimmung der Gewerke Stahlbau und Membranbau vorgestellt, die sich auf diese Weise nahezu immer anwenden lässt Bauteilabmessungen Die Bauteilabmessungen können den Planunterlagen TENNECT entnommen werden. In der folgenden Grafik sind die notwendigen Bauteilabmessungen dargestellt. Das Maß l 2 ist vom Anwender festzulegen und stellt den Abstand zwischen Kugel und Scharnier dar. Über den Satz von Pythagoras kann die Strecke s 1 aus den Längen c, l 2, l 1, b 2 und f ermittelt werden. 14

15 Abmessungen TENNECT System Bauteilabmessungen Axial-Konsole 15

16 Bauteilabmessungen Gabelanschlussplatte 16

17 Das auf diese Weise ermittelte Dreieck kann als Zug -, Druckstabmodell in das statische System eingegeben werden. Unter Berechnung bzw. erneuter Formfindung richtet sich die Membrane bzw. das Zug-, Druckstabmodell nach der Vorspannung aus. Diese Vorgehensweise bietet zwei entscheidende Vorteile: 1. Dadurch dass sich das Zug-Druckstabmodell nach der Vorspannung ausrichtet, ist die tatsächliche Verformung bzw. Verdrehung bekannt. Mit großer Wahrscheinlichkeit kann davon ausgegangen werden, dass das Befestigungsdetail funktioniert. 2. Die Membrane richtet sich nach der Vorspannung und des TENNECT Details aus. Der nachfolgende Zuschnitt wird stark vereinfacht, da der Ort der Gabelköpfe mit der erfolgten Berechnung vorliegt und damit der Verlauf der Randseile bekannt ist. Auch bei der Membrane gilt: durch die Berechnung kann eine gute Aussage gemacht werden, ob das System funktioniert. Einige Programme erlauben die Eingabe einer Solllänge, die sich nach der Berechnung einstellen soll. Dies vereinfacht die Eingabe, da der Anwender ungefähre Längen in das System einzeichnen kann. 17

18 Eingabe Membrane mit ungenauen Zug-Druckstabmodell In der folgenden Grafik ist die Membranform nach Iteration dargestellt. Auffällig ist die neue Form des Zug-Druckstabmodells. Dadurch dass sich die gewollte Länge der Zug- und Druckstäbe eingestellt und sich das System räumlich ausgerichtet hat, liegt auch eine Veränderung der Membranform vor. Im Bereich des Befestigungssystems ist die Membrane jetzt schmaler. 18

19 Form nach Iteration 19

20 Ließt man die neu iterierte Form in ein Konstruktionsprogramm ein, in dem auch die TENNECT Bauteile eingegeben werden, wird schnell ersichtlich, wie gut die Schnittstelle Stahl und Membrane nun miteinander harmoniert. Zugeschnittene Form Vorteile der Vorgehensweise: 1. Einfache und genaue Bestimmung der Membranform 2. Erfassung des Verformungsbildes durch Berechnung 3. Ermittlung der Seillängen als Nebenprodukt 4. Leichte Überprüfung der Passgenauigkeit 20

21 2.2. Bemessung des TENNECT System Im Folgenden kann, ausgehend von dem Mittelpunkt der TENNECT Kugel ISK-K, die Stahlkonstruktion an das TENNECT System angepasst werden. Die Länge h 1 stellt die Distanz von Mittelpunkt Kugel bis Unterkante Kugelhalter N dar und kann aus dem jeweiligen Diagrammen entnommen werden. Seitenansicht TENNECT System Bauteilabmessungen Kugelhalter N 21

22 Die benötigte Plattenstärke d hängt vom Material der Platte und der Belastung ab. Für die Bemessung der Anschlussplatten können bei zulässigen Belastungen folgende Werte für die maximale Schraubenbelastung angesetzt werden: Bauteil Zugkraft N d Abscherkraft V d N 25 15,0 10,0 N ,0 21,0 N ,0 50,0 W 25 10,0 8,0 W ,0 19,0 W ,0 38,0 Des Weiteren ist, wie im vorigen Kapitel erwähnt, die Verdrehung des Systems zu überprüfen. Dies kann visuell nach Zusammenbau der einzelnen Baukörper im CAD-System erfolgen, oder über die Winkelangabe an den Rändern der Membranform. Zusammenbau einer Membranecke, bei der die Platte geneigt ausgeführt werden muss. 22

23 Kontrolle an der Membranecke 23

24 2.3. Ungleiche Seilkräfte am TENNECT System Allgemeines Eckdetail Bei Membranecken, an denen Randseile mit unterschiedlichen Lasten angreifen, sind folgende Bedingungen zu überprüfen: Verdrehung des Systems Die Verdrehung hängt in diesem Fall nicht nur von der Geometrie ab, sondern auch von den unterschiedlichen Lasten. Die Systemlinie des stärker belasteten Seiles wird tendenziell in Richtung Kugelmittelpunkt wandern. Im Extremfall, bei dem nur ein Seil belastet ist, wird die Systemlinie auf den Kugelmittelpunkt fallen. 24

25 Belastung der Gewindestange auf Biegung Das System wird sich derart verdrehen, dass die Summe der Momente am Kugelmittelpunkt durch die Seilkräfte F1 und F2 gleich Null wird. Die Vertikalkräfte F1v und F2v führen bei unterschiedlichen Größen zu einem Moment. Dieses Moment beansprucht die Gewindestange und ist zu überprüfen. In der Planung sollte die Länge der Gewindestange zwischen Kugel und Axialkonsole möglichst klein gehalten werden, um das Moment, das tatsächlich von der Gewindestange aufgenommen werden muss, möglichst gering zu halten. Zusammenbau Membranecke mit unterschiedlichen Randseilkräften 25

26 2.3.2 Überprüfung der Biegebelastung Die Verdrehung des Systems um den Kugelmittelpunkt kann rechnerisch ermittelt werden. Das System ist im Gleichgewicht, wenn die Summe der Momente um den Kugelmittelpunkt gleich Null ist. System 26

27 Summe der Momente um den Kugelmittelpunkt: M = F 1H *cos α *l 1v F 1H * sinα * l 1h F 1v *cos α *l 1h F 1v * sinα *l 1v + F 2v * cosα * l 2h F 2v *sinα *l 2v - F 2H * cosα * l 2v F 2H * sinα l 2h =0 Diese Gleichung enthält als Unbekannte den Winkel α nach dem die Gleichung aufgelöst werden kann. Nach Berechnung des Verdrehungswinkels α kann das Moment auf der linken und rechten Seite ermittelt werden. M 1 = (F 1v *cosα + F 1H *sinα) * l 1h M 2 = (F 2v *cosα F 2H * sinα) * l 2h Auf dem folgenden Excel Blatt ist die Berechnung dargestellt. Die vierte Spalte zeigt die Berechnung mit zwei standardisierten Gabelanschlussplatten ISK- F100. Aufgrund der ungleichen Kräften F1 = 48 kn und F2 = 55 kn wird ein Moment von 0,28 knm auf das Gewinde übertragen. Das Moment führt zu einer Überschreitung der Spannung an der Gewindestange. Bei der folgenden Berechnung in der Spalte 5 wurde der Hebelarm Lh1 der geringer belasteten Seite vergrößert, um auf diese Weise das Ungleichgewicht der Momente zu minimieren. Bei Membranecken, bei denen je nach Lastfall (Wind, Schnee usw.) die Differenz (F2h F1H) stark schwankt, ist sicherzustellen, dass bei allen Lastfällen die Gewindestange nicht überlastet wird. 27

28 gleiche Pl. ungleiche Pl. Bemessungslast links F1 [kn] Bemessungslast rechts F2 [kn] beta1 [ ] beta2 [ ] cos beta1 [ ] 0,707 0,707 cos beta2 [ ] 0,707 0,707 sin beta 1 [ ] 0,707 0,707 sin beta 2 [ ] 0,707 0,707 Halber Kugeldurchm. c [m] 0,03 0,03 Abstand Kugel Axial. Lf [m] 0,05 0,05 Lage Bolzen Gabelfitt. Lb1 [m] 0,09 0,09 Lage Bolzen Gabelfitt. Lb2 [m] 0,09 0,09 Lv1 [m] 0,17 0,17 Lv2 [m] 0,17 0,17 Lh1 [m] 0,095 0,12 Lh2 [m] 0,095 0,095 F1H [kn] 33,94 33,94 F1V [kn] 33,94 33,94 F2H [kn] 38,89 38,89 F2V [kn] 38,89 38,89 F1H*Lv1 [knm] 5,77 5,77 F1V*Lh1 [knm] 3,22 4,07 F2V*Lh2 [knm] 3,69 3,69 F2H*Lv2 [knm] 6,61 6,61 F1H*Lh1 [knm] 3,22 4,07 F1V*Lv1 [knm] 5,77 5,77 F2V*Lv2 [knm] 6,61 6,61 F2H*Lh2 [knm] 3,69 3,69 A [knm] -0,37-1,22 B [knm] -19,30-20,15 -A/B [ ] -0,019-0,061 SummeV [kn] 72,83 72,83 Summe H [kn] 72,83 72,83 Winkelverdrehung alpha [ ] -1,10-3,47 cos alpha 1,000 1,000 0,998 sin alpha -0,019-0,019-0,060 Momentenbelastung Gewindestange Moment1 [knm] 3,16 3,82 Moment2 [knm] 3,77 3,91 delta M [knm] 0,60 0,09 Moment Gew [knm] 0,28 0,04 Spannung in der Gewindestange M20 As [mm²] [mm²] W [mm³] [mm³] 540,7 540,7 N [kn] [kn] 72,83 72,83 M [knm] [knm] 0,28 0,04 sigma [N/mm²] [N/mm²] Tabellenkalkulation der Momentenbelastung 28

29 3. Anschluss eines Gurtes Soll die Membrane nicht mit Randseilen, sondern mit einem Gurt angeschlossen werden, ist das System um einen Gurthalter zu erweitern. Im statischen System wird das Zug, -Druckstabmodell um jeweils zwei Zugstäbe erweitert. Ansonsten ist die Vorgehensweise analog zur Randseilbefestigung. Statisches System 29

30 Zusammenbau Gurtbefestigung 30

31 4. Vorspannen mittels Seilspannzylinder Membranstrukturen tragen Schnee- und Windlasten über die vorgespannte Membrane ab. Das Tragverhalten der Membrane sowie die Gefahr einer Wassersackbildung hängen stark vom Vorspanngrad der Membrane ab. Die Überprüfung der tatsächlichen Vorspannung der eingebauten Membrane ist bislang schwierig und kostenintensiv. Des Weiteren fehlen preiswerte und aussagekräftige Prüfungsmethoden. Für die Installation des TENNECT Systems steht ein Hydrauliksystem für die Bauteilreihe 100 und 200 zur Verfügung, die ein planmäßiges Anziehen der Axialkonsole ermöglicht. Durch das kontrollierte Vorspannen der Eckdetails kann die Membranvorspannung sehr genau erfasst und kontrolliert werden. Der Hydraulikzylinder kann erworben sowie gemietet werden. Foto Vorspannmechanismus 31

32 Ansatz des Vorspannzylinders 32