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Die Erfindung betrifft eine Abstützung von dünnwandigen Schalenstrukturen, insbesondere mit einer Zylinder- oder Kegelschalenstruktur z. B. für einen Kamin über an der Struktur befestigte Balken, die über beiderseitig gelenkig gelagerte Pendel mit Widerlagern verbunden sind.
Die Abstützung soll weitgehend momentenfrei sein, wobei Schalenstrukturen eine von der Umgebung abweichende Betriebstemperatur aufweisen.
Abstützungen dünnwandiger Schalenstrukturen bzw. Schalen sind an sich bekannt. Diese erfolgen üblicherweise über Pendelstützen, Pendelstangen und Lenkerkonstruktionen, wie z. B. in der Veröffentlichung von Ing. G. Fischer, Vaihingen/Enz in der Zeitschrift "Der Stahlbau", 52. Auflage, Heft 7, beschrieben.
Diese Konstruktionen leiden an dem Nachteil, dass über die Pendel nur vertikale Kräfte mit geringen radialen Komponenten aus der Schrägstellung übertragen werden, die aus der erzwungenen Exzentrizität der Anschlüsse stammenden Momente aber von der dünnwandigen Schale aufgenommen werden müssen. Bei gleitenden Lagerstellen mit oder ohne Führungen sind im allgemeinen ebenfalls Momente von der Schale aufzunehmen, darüber hinaus treten bei Wärmeausdehnungen erhebliche Zusatzkräfte durch Zwängungen auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Pendelsystem mit Momentenausgleich zu schaffen, um das in die Schale einzuleitende Anschlussmoment weitgehend zu eliminieren und dadurch einen möglichst vollständigen Kräfteabbau zu erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Abstützung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Pendel zu Gruppen von zumindest je zwei Pendeln zusammengefasst sind, die einerseits an mit der Schale fest verbundenen Balken, Kragträger, Stangen od. dgl. und anderseits an festen Widerlagern gelenkig angeschlossen sind, wobei die Pendel einer Gruppe zueinander parallel sind und in einer Richtung liegen, die von der Tangentialrichtung und der Radialrichtung der Schalenstruktur abweicht, wobei die Pendelachsen mit den Verbindungslinien der Gelenke annähernd ein Parallelogramm bilden und in einer Ebene, die parallel zur Schalenachse liegt bzw. in der Ebene durch die Schalenachse beweglich sind, wobei eine Mehrzahl von Pendelgruppen, zumindest aber drei Gruppen, rund um die Schale verteilt angeordnet sind.
Durch eine derartige Anordnung werden die mit der Schale verbundenen Balken, Kragträger, Stangen od. dgl. parallelgeführt und können bei geeigneter Auswahl von Pendellänge und Pendelrichtung Bewegungen ausführen, um den Wärmedehnungen folgen zu können.
Vorzugsweise sollten die Pendel paarig vorgesehen, parallel zur Schalenachse zentralsymmetrisch angeordnet, an radial angeordneten Balken, Kragträgem, Stangen od. dgl. befestigt und in Ebenen durch die Schalenachse beweglich sein, es sind aber auch davon abweichende Anordnungen bzw. Ausführungen möglich, insbesondere zur Erzielung von gesteuerten Bewegungen bei Wärmedehnung, oder zum Aufbau von gewollten Zusatzkräften bzw. Kraftkomponenten.
Zweckmässig ist auch eine Anordnung, bei der die Pendel bei einer Mitteltemperatur parallel zur Schalenachse liegen, bei höchster und niedrigster Auslegungstemperatur, meist auch bei Umgebungstemperatur, aber von dieser Lage abweichen.
Durch diese Konstruktion werden neben den Kräften parallel zur Schalenachse (üblicherweise Vertikalkräfte) durch Kräftepaare auch die Anschlussmomente bis zur Schale auf die festen Widerlager und am Anschluss der Balken an die Schale praktisch nur Querkräfte übertragen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass an die Schale mit Gelenken angeschlossene und anderseits an festen Widerlagern angeschlossene Querpendel in einer von der radialen und der axialen abweichenden Richtung, vorzugsweise in tangentialer Richtung vorgesehen sind, welche die Kraftkomponenten senkrecht zur Schalenachse, getrennt von den Kraftkomponenten parallel zur Schalenachse, von der Schale auf die Widerlager übertragen.
. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die tangential angeordneten oder zur Tangente unter einem Winkel stehenden Querpendel auch gekreuzt als tangential angeordnete oder zur Tangente unter einem Winkel stehende und einerseits an die Schale mit Gelenken angeschlossene und anderseits an festen Widerlagern mit Gelenken angeschlossene Querpendel ausgeführt sein können.
Die festen Widerlager für die Pendelgruppen und die Querpendel werden zweckmässigerweise auf einem die Schale umschliessenden Ringträger angeordnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt in der Ebene der Schalenachse, Fig. 2 einen Schnitt in einer Normalebene zur Schalenachse und Fig. 3 ebenfalls einen Schnitt in der Ebene der Schalenachse und verdeutlicht das Kräftespiel bei der Ableitung der Vertikalkräfte.
Die aus einem vorzugsweise 6 bis 12 mm dickem Stahlblech bestehende Zylinder- bzw. Kegelschale (1) mit der Schalenachse (2) ist mit einer Mehrzahl in Winkelabständen voneinander gelegenen, vorzugsweise radial oder in einer von der Radialrichtung um einen Winkel (beta) abweichenden Richtung angeordneten Balken (3) um die Schale herum verbunden. Unterhalb der Schale (1) befindet sich ein Kompensator (nicht eingezeichnet), der z. B. in Form eines Faltenbalgs ausgebildet sein kann und zum Ausgleich der Wärmedehnung in Längsrichtung vorgesehen ist.
Der Balken (3) ist durch ein Paar von gelenkig angeordneten, zueinander parallelen Pendeln (4), mit festen Widerlagern bei (8) in einer Weise verbunden, dass die Pendel mit den Verbindungslinien ihrer gelenkigen Anschlüsse Parallelogramme bilden.
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Die Widerlager bei (8) können durch einen oberen Balken (3') mit einem Ringträger, der z. B. aus dem gekrümmten Steg (5) mit ebenfalls gekrümmten Obergurt (5") und Untergurt (5') besteht, verbunden werden. Der Ringträger kann wie dargestellt mit offenem Profil, als Kastenprofil mit zweitem Steg, als mehrzelliges Profil oder in Fachwerke aufgelöst, ausgeführt werden und hat eine dem Schalenverlauf angepasste Kreis- oder Polygonform.
Der Querschnitt des Ringträgers ist nach Erfordernis mit Versteifungsrippen (11) ausgesteift und durch Füsse (11') mit seiner Auflage (7) verbunden.
Die durch die Nachgiebigkeit des Ringträgers (5) und der Verbindungskonstruktion bedingten Zwängungsmomente sind wegen der geringen örtlichen Steifigkeit der Schale sehr klein und somit unbedeutend.
Aufgrund der geringen örtlichen Steifigkeit der Schale (1) kann bei (G) (Fig. 3) ein Gelenk angenommen und damit zur einfachen Behandlung von einer statisch bestimmten Einrichtung ausgegangen werden. Die Differenz der Auflagerkräfte (Fl) + (F2) hält der in der Schale (1) wirkenden Kraft in Axialrichtung (F) (üblicherweise Vertikalkraft) das Gleichgewicht. Die Summe der Momente M = F. a (Ml + M2 = Flal + F2a2) bilden das Anschlussmoment, welches zur Gänze von den Auflagern (AI) und (A2), die in Fig. l und 2 eingelagerten Bolzen (8) entsprechen, aufgenommen wird. Die Auflagerkräfte (Fl) (bei Auflager (AI)) bzw. (F2) (bei Auflager (A2)) wirken auch in den Pendeln (psi) bzw. (P2) und setzen sich aus gleichgerichteten und gegengerichteten Komponenten zusammen.
Die gleichgerichteten Komponenten halten das Gleichgewicht zur Kraft (F), die gegengerichteten bilden ein Kräftepaar, das dem Anschlussmoment M das Gleichgewicht hält. Die Pendel (4) können statt paarweise auch in Gruppen von mehreren parallelen Pendeln angeordnet sein. Bei Anordnung von zusätzlichen Pendeln (4) ( (P3), (P4)... Pn in Fig. 3), die in einer radialen lotrechten Ebene liegen, ist die Einrichtung sinngemäss durch weitere Auflager (A3, A4.... An) mit Auflagerkräften (F3, F4... Fn), die an Hebelarmen (a3, a4,... an) zusätzliche Beiträge zum Anschlussmoment (M3, M4... Mn) liefern, zu ergänzen.
Die Pendelvorrichtung wird damit trotz des Gelenkes (G) statisch unbestimmt.
Neben den Pendeln (4) können, wie dargestellt, an die Schale tangential angeordnete oder zur Tangente unter einem Winkel stehende Querpendel (6), von denen ebenfalls zumindest drei Einheiten ausgebildet sind, und die Kräfte senkrecht zur Schalenachse (2) (üblicherweise Horizontalkräfte) übertragen, vorgesehen sein.
Abgaskamine bzw. Abgaswandungen hinter Gasturbinen bestehen oft aus freistehenden Zylinder- und Kegelschalen bis über 10 m Durchmesser bei einem Wandstärke/Durchmesserverhältnis von 1 : 500 bis 1 : 1000 und erreichen eine Betriebstemperatur von 400 C bis 650 C. Bei infolge dieser rasch einsetzenden hohen Temperaturen auftretenden Wärmedehnungen ist eine zentralsymmetrische Relativbewegung zwischen der Schale (1) und dem Ringträger (5) durch leichtes Schrägstellen der Pendel (4) und der Querpendel (6) bei sehr geringen Verstellkräften möglich, wobei die Schalenachse (2) nur eine vemachlässigbare Lageänderung erfährt.
Vorzugsweise sollten die Pendel (4) paarig ausgeführt, parallel zur Schalenachse (2) zentralsymmetrisch angeordnet, an radial angeordnete Balken (3) befestigt und in Ebenen durch die Schalenachse beweglich sein, es sind aber auch davon abweichende Anordnungen bzw. Ausführungen möglich, insbesondere zur Erzielung von gesteuerten Bewegungen bei Wärmedehnung oder zum Aufbau von gewollten Zusatzkräften bzw.
Kraftkomponenten.
Die Lage der Schalenachse (2) ist durch das Pendelsystem jederzeit festgelegt
Der gelenkige Anschluss der Pendel (4) erfolgt durch eingelagerte Bolzen (8), der gelenkige Anschluss der Querpendel (6) durch an der Schale (1) und einem Trägergerüst (7) angebrachte echte gelenkige oder mehr oder weniger starre Verbindungen. Neben den Querpendeln (6) können auch in Fig. 2 eingezeichnete Querpendel (9), die ebenfalls tangential angeordnet oder zur Tangente unter einem Winkel (alpha') stehen und einerseits an der Schale (1) mit Gelenken (10') und anderseits an festen Widerlagern (10), die am Ringträger (5) angeordnet sein können, gekreuzt ausgeführt sein.
Die gelenkigen Anschlüsse der Pendel (4) und der Querpendel (6) bzw. (9) können als Bolzenverbindungen ausgeführt werden, es sind aber auch Ausführungen durch Einsatz von flexiblen Elementen oder durch entsprechend flexible Ausführung der Pendel bzw. Querpendel möglich.
Im Rahmen der Erfindung könnten anstelle des Ringträgers (5) einzelne unter einem Winkel aufgeteilte Ringsegmente ausgeführt werden.
Des weiteren könnte der Ringträger (5) selbst an der Unterseite des Balkens (3) angeordnet werden.
Das Trägergerüst (7) kann am Boden oder an einer Wand abgestützt sein.