Hängtakskonstruktioner ger elegant spännvidd

Grandview Heights Aquatic Centre i Surrey, British Columbia, Kanada av HCMA Architecture + Design

Bärande konstruktioner som är avsedda för större spännvidder bör idealiskt utformas så att de främst arbetar antingen i dragning eller i tryck. Därmed kan man optimalt utnyttja de material som konstruktionen består av, vilket i sin tur ofta resulterar i en slank och elegant form.

Den starka, lätta skivan – Att ett axiellt belastat konstruktionselement är effektivare än motsvarande böjbelastat element är inte överraskande. Detta kan man enkelt se genom att studera fördelningen av spänningar i ett tvärsnitt som är utsatt för normalkraft respektive moment. Som framgår av figur 1 är normalspänningen vid axiell belastning jämnt fördelad, vilket möjliggör fullt utnyttjande av tvärsnittskapaciteten. Vid böjbelastat tvärsnitt blir emellertid spänningen linjärt fördelad. Det innebär att materialets fulla kapacitet endast kan nås vid de yttersta fibrerna i tvärsnittet, medan den centrala delen av tvärsnittet förblir underutnyttjad.

I vanliga hängkonstruktioner består primärbärningen av linor eller kablar. Dessa saknar momentupptagande förmåga och överför därför last enbart genom dragspänningar i primärbärningen. Dessutom saknar linor och kablar böjstyvhet, vilket innebär att den enda möjligheten för dessa konstruktioner att bära last är genom att förändra deras ursprungliga form. Just formförändringen kan i många fall vara problematisk, i synnerhet vid takkonstruktioner som utsätts för icke-symmetriska laster, till exempel ojämn snölast. I en sådan situation skulle en böjvek hängkonstruktion mycket sannolikt få oacceptabelt stora deformationer. Därtill är känslighet för vindinducerad instabilitet – det vill säga vindsvängningar som alstras genom vindstötar eller genom periodiska virvelavlösningar – också ett förekommande problem vid böjveka hängkonstruktioner, se figur 2.

Det finns dock en rad metoder för att förstyva hängtakskonstruktioner och därmed minska risken både för stora deformationer och för vindinducerad instabilitet. Dessa illustreras i figur 3.

Hängtakskonstruktioner där trä används som bärande konstruktionsmaterial utförs generellt enligt princip b) i figur 3. I engelskspråkiga länder kallas ibland ett sådant bärande system för »stress ribbon«, på svenska »spännbandskonstruktion«, vilket i princip är en kabelkonstruktion fast med icke-försumbar böjstyvhet. Den gängse formen på dessa takkonstruktioner är en andragradsparabel eller ibland en kedjelinje (dessa geometriska kurvor skiljer sig oansenligt från varandra i synnerhet när nedhängningen är liten). Kvoten mellan nedhängningen och spännvidden i en spännbandskonstruktion väljs oftast till cirka 0,10–0,12, det vill säga något större än vid vanliga hängbrokonstruktioner. Vid nedåtriktade laster, som till exempel permanenta laster och snö, fungerar spännbands­konstruktionen mer eller mindre som en vanlig kabelkonstruktion, där huvuddelen av lasten tas upp genom dragning och en betydligt mindre lastandel genom böjning. Den inbyggda böjstyvheten i spännbandskonstruktioner har en gynnsam effekt på att reducera både deformationerna vid icke-symmetriska laster och – till viss del – risken för vindinducerad instabilitet. Vid uppåtriktade laster, som till exempel vindsug, fungerar taket som en upp- och nedvänd båge. I detta fall tas lasten huvudsakligen genom tryck i takkonstruktionen och därmed måste man ta hänsyn till risken för knäckning.

Trä lämpar sig utmärkt för spännbands­konstruktioner eftersom materialet har enastående hållfasthetsegenskaper, i synnerhet i specifika termer, det vill säga kvoten mellan materialets hållfasthet och dess vikt. Nackdelen är – å andra sidan – att hängkonstruktioner ofta utsätts för stora dragkrafter, vilket gör att val av lämpligt träförband kan vara en utmaning.

Text Roberto Crocetti 

 

Läs de senaste artiklarna

Genom att använda svenskttra.se accepterar du vår användning av kakor.