Warum sind Traversen über lange Zeiträume so effizient?

Ein Fachwerk ist eine Konstruktion, die sehr häufig im Tiefbau verwendet wird, wie Brücken, Stahlbauten, Türme und Dachkonstruktionen (wie im Bild unten zu sehen). Sie kommen auch in vielen mechanischen und Luft- und Raumfahrtstrukturen wie Kränen vor, Offshore-Plattformen, Raumstrukturen, und so weiter.

Dachstuhl aus Holz Fachwerke bestehen aus geraden Stäben, die an den beiden Enden jedes Stabes miteinander verbunden sind. Alle Elemente einer Fachwerkkonstruktion sind durch Bolzengelenke miteinander verbunden, so dass wir zum Zweck der Bemessung dieser Konstruktionen davon ausgehen, dass die Gelenke keine Momente tragen oder widerstehen können.

Normalerweise, die Stoßverbindungen werden durch Verschrauben oder Verschweißen der Endelemente mit einer gemeinsamen Platte gebildet, sogenanntes Knotenblech (unten abgebildet). Es wird angenommen, dass alle äußeren Lasten, die auf ein Fachwerk wirken, nur an den Stoßstellen wirken, und deshalb, alle Elemente eines Fachwerks sind zweigliedrige Elemente. Die einzelnen Stäbe unterliegen keinen Biegemomenten und Querkräften, sondern nur Axialkräften, die entweder Druck oder Zug sind.

Üblicherweise, Traversen bestehen aus Stahl, Holz und sehr selten aus Beton und Aluminium.

Knotenblech

Warum sind sie über lange Spannen so effizient??

1. Traversensysteme übertragen Kräfte axial

Traversen sind aufgrund der Richtung und Art der Kraft, die sie enthalten, für lange Spannweiten viel besser geeignet als massive Träger. Wie erwähnt, Fachwerkträger sind durch Bolzengelenke verbunden, was bedeutet, dass es keine inneren Schub- und Momentenkräfte, und die Kräfte werden axial auf den Stab eingeleitet.

Betrachten Sie ein Schrägdach, mit Punktlasten entlang der Spannweite (modelliert mit SkyCivs kostenlosem Fachwerkrechner):

Diese Punktlasten werden auf innere Normalkräfte auf den Stab übertragen, mit geringem oder keinem inneren Moment oder Schub:

Schnittgrößen nach linearer statischer Berechnung, auch in SkyCiv analysiert Fachwerkrechner

2. Mitglieder sind axial stärker

Die Tatsache, dass die Kräfte auf jedes Fachwerkelement axial wirken, ist der Schlüssel zur Effizienz eines Fachwerks bei großen Spannweiten. In einem axial belasteten Bauteil, die Kraft wird von jedem Teil des Stabes gleichmäßig getragen – es wird kein Material verschwendet. Vergleiche dies mit einem Balken. Wenn wir einen Balken in der Mitte laden, die Belastungen sind dort viel höher als anderswo - die Spannungen sind konzentriert. Das Material abseits des Zentrums macht einfach nicht so viel Arbeit, die Effizienz der Struktur zu senken und sie schwerer zu machen:

Alternative, in einer Fachwerkstruktur sind die Kräfte axial. Das heisst, dass jedes Fachwerkelement die gleiche Intensität der Axialkraft über das gesamte Element hat (gleichmäßige Kompression oder Spannung). Deshalb, die Kräfte und Spannungen werden über den gesamten Stab verteilt. Aus diesem Grund, Traversen können leichter sein, und haben trotzdem eine höhere Tragfähigkeit und effizienter genutzte Querschnitte.

Allgemein, die Gesamteffizienz einer Traverse wird optimiert, indem weniger Material in den Gurten und mehr in den Aussteifungselementen verwendet wird. Dies ist besonders bei längeren Spannweiten sinnvoller als Alternativen wie Betonträger oder Spannbeton. Fachwerkträger können leicht bleiben und der Materialverbrauch kann reduziert werden, indem ein System von Stahlträgern über einem großen Betonabschnitt verwendet wird. Balkenelemente neigen dazu, unter Belastung durchzuhängen und reagieren empfindlicher auf eine Vergrößerung der Spannweite als auf die Forderung nach erhöhter Festigkeit.

Alternative Designs

Spannbeton ist eine alternative Konstruktion für weitspannige Konstruktionen. Obwohl es eine einfachere Struktur ist, es ist weit weniger effizient als ein Fachwerk. Spannbetonbauteile müssen enormen Biegebeanspruchungen standhalten, und verschlechtert sich nur mit zunehmender Spanne. Also je länger die Spanne, desto konkreter ist es erforderlich.

Schrägseilbrücken Ein effektives Design für lange Spannweiten, erfordern jedoch immer noch einen großen Materialeinsatz, um die Kabel zu stützen. Kabel sind so effizient wie Fachwerkträger, da sie Kraft in Spannung umwandeln, die externe Struktur zur Unterstützung dieses Systems kann jedoch ineffizient und schwer sein.

3. Zusammenfassung

Fachwerke werden im Allgemeinen als Dachkonstruktionen von Gebäuden mit großen Spannweiten und auch in Brücken verwendet, Türme, Kräne und Laufstege. Sie haben eine höhere Tragfähigkeit und effizienter genutzte Querschnitte.

Dies liegt daran, dass ihre verstifteten Verbindungen Kräfte axial übertragen und in den Stäben nur sehr geringe Biegemomente und Querkräfte auftreten. Stäbe sind effizienter bei der Aufnahme von Axiallasten, da die Spannungen gleichmäßig verteilt sind, statt Querlasten, die konzentriert sind. Diese Kombination macht Traversensysteme effizienter als Einstab-Alternativen (z.B. Spannbeton).

Traversen ermöglichen es Ingenieuren, große Freiflächen mit weniger Materialien zu schaffen. Durch die Verwendung von weniger Materialien können Bauunternehmer auch kostengünstig bauen. Fühlen Sie sich frei, mit dem Modellieren oder Entwerfen Ihrer Fachwerkstruktur mit SkyCivs Free . zu beginnen Fachwerk- oder Dachsparren-Rechner.