Pneumatisches Bauelement, und daraus erzeugtes Dach

Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Balkenartige pneumatische Bauelemente und auch solche mit flächenhafter Ausformung sind in den letzten Jahren mehrere bekannt geworden. Sie gehen zumeist zurück auf EP 01 903 559 (Dl) . Eine Weiterentwicklung der genannten Erfindung liegt vor in WO 2005/007991 (D2) . Hier ist der Druckstab fortentwi- ekelt zu einem Paar von bogenförmigen Druckstäben, die auch Zugkräfte aufnehmen können und daher auch als Zug-Druck- Elemente bezeichnet sind. Diese laufen entlang je einer Mantellinie des zigarrenförmigen pneumatischen Hohlkörpers. D2 wird als der nächstliegende Stand der Technik betrachtet. Die starke erhöhte Knicksteifigkeit der auf Druckkräfte belasteten Zug-Druck-Elemente beruht auf der Tatsache, dass ein gemäss D2 eingesetzter Druckstab als auf seine ganze Länge elastisch gebetteter Stab betrachtet werden kann, wobei ein solcher Stab auf virtuelle verteilte Elastizitäten gebettet ist, welche je die Federhärte k aufweisen. Die Federhärte Jc ist dort bestimmt durch k = π-p wo k = virtuelle Federhärte [N/m ² ] P = Druck im Hohlkörper [N/m ² ]

wodurch sich die Knicklast F _k ergibt zu

mit

E = E-modul [N/m ² ]

I = Flächenträgheitsmoment [m ⁴ ]

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaf- fung eines pneumatischen Bauelementes mit Zug-Druck-Elementen und einem langgestreckten gasdichten Hohlkörper, welches sowohl zu bogenartigen und/oder flächenhaften Gebilden geformt und ausgedehnt werden kann, mit einer gegenüber den aus dem

_o _

Stande der Technik bekannten pneumatischen Trägern und Bauelementen wesentlich erhöhten Knicklast F _κ .

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist bezüglich ihrer Hauptmerkmale wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentan- Spruches 1, bezüglich weiterer vorteilhafter Merkmale in den folgenden Patentansprüchen.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mässen pneumatischen Bauelementes in der Draufsicht,

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 im Längsschnitt BB,

Fig. 3 einen Querschnitt AA durch das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit den wirkenden Kräften,

Fig. 4 den Querschnitt AA mit einem Ausführungsbeispiel eines Zug-Druck-Elementes,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zug-Druck-Elementes im Detail,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines pneumatischen Bauelementes in Seitenansicht,

Fig. 7a, b der Bereich des Endes eines pneumatischen Bauele- mentes gemäss Fig. 6,

Fig. 8 den Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Dachelement,

Fig. 9 ein Dachelement gemäss Fig. 8 in Isometrie,

Fig. 10, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Elemente 11, 12 eines Kuppel-Daches.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemässe pneumatische Bauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. Es ist gebildet aus zwei langgestreckten beispielsweise zigarrenför- migen gasdichten Hohlkörpern 1 mit einer Hülle 9 und je zwei Endkappen 5. Die Hülle 9 besteht jeweils aus einer textilar- mierten Kunststoff-Folie oder aus flexiblem kunststoffbeschichtetem Gewebe. Diese Hohlkörper 1 schneiden einander - abstrakt geometrisch - in einer Schnittfläche 2, wie aus Fig. 2 ersichtlich, welche einen Schnitt BB durch Fig. 1 darstellt.

Werden die zwei Hohlkörper 1 mit Druckgas befüllt, so nehmen sie - unter nachfolgend beschriebenen Bedingungen - die im Schnitt AA von Fig. 4 gezeigte Form an. Durch den Druck £ im Innern der Hohlkörper 1 baut sich in deren Hüllen 9 eine Linienspannung σ auf, welche durch

σ = p-R σ = Linienspannung [N/m] p = Druck [N/m ² ]

R = Radius des Hohlkörpers 1 [m] gegeben ist.

In den Schnittlinien der beiden Hohlkörper 1 ist, in der Schnittfläche 2, ein beispielsweise textiler Steg 4 einge- legt, auf welchen sich die Linienspannungen σ der beiden Hohlkörper 1 in der Schnittlinie übertragen, wie in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt die vektorielle Addition der Linienspannungen σ zur Linienkraft f_ im Steg 4 :

f = σ _ι +σ _r wo

/ = Linienkraft im Steg 4 σ, = Linienspannung im linken Hohlkörper 1 σ _r = Linienspannung im rechten Hohlkörper 1

Die absolute Grosse von / ist bei gleichem Druck p und gleichem Radius R abhängig vom Schnittwinkel der beiden Schnittkreise der zwei Hohlkörper 1.

Um Zug- und Druckkräfte des so aufgebauten pneumatischen Bau- elementes aufzunehmen, ist der Steg 4 eingespannt in ein Zug- Druck-Element 3, welches die in Fig. 2 dargestellte Form aufweist. Das Zug-Druck-Element 3 übernimmt den durch die Vektoraddition bestimmten Teil dieser oben dargestellten Linienkraft und wird damit in der durch die Vektordarstellung gege- benen Richtung vorgespannt. Durch das Befüllen der Hohlkörper 1 mit Druckluft ergibt sich eine Vorspannung des Steges 4 durch die Linienkraft f zu f = 2 σ sinφ. Da der Radius entlang des Bauelementes im Allgemeinen nicht konstant ist, verändert sich auch die Vorspannung des Steges entlang des Bau- elementes. Durch geeignete Wahl von Hüllenumfang und Steghöhe kann die Vorspannung des Steges gemäss dem Einsatz des pneumatischen Bauelementes optimiert oder sogar konstant gemacht werden. Die Vorspannung des Steges 4 beträgt dann p ^# Ro, mit 2R ₀ = Durchmesser der Endkappen 5. Diese Vorspannung bewirkt ein Verhalten der Zug-Druck- Elemente 3 analog zu einer vorgespannten Feder, welche erst bei überschreiten der Vorspannkraft mit einer Längenänderung reagiert. Erst bei diesem überschreiten der Vorspannkraft tritt Gefahr des Einknickens der Zug-Druck-Elemente 3 auf. Durch die gezeigte Art der elastischen Bettung des Zug-Druck- Elementes 3 ist die Knicklast P _k gegeben zu

mit P _k = krit . Knicklast

E =. E-Modul des Zug-Druck-Elementes 3

F = Querschnittsfläche des " " "

I = Flächenträgheitsmoment des " " "

und L = Länge des Zug-Druckelementes 3.

Im erfindungsgemässen pneumatischen Bauelement wird also die komprimierte Luft zur Vorspannung des biegeweichen Steges be- nutzt, so dass dieser Zug- und Druckkräfte übertragen kann und das Druckglied optimal gegen Ausknicken stabilisiert. Dadurch wird das pneumatische Bauelement stabiler und leichter und kann besser lokale Lasten tragen. Seitlich ist das Zug-Druck-Element 3 durch die Linienspannun- gen σ in der Hülle 9 stabilisiert.

Fig. 4 ist eine technische Ausführungsversion der Darstellung gemäss Fig. 3 im Schnitt AA gemäss Fig. 1. Das Zug-Druck- Element 3 besteht hier beispielsweise aus zwei miteinander verschraubten C-Profilen 8. Die Hülle 9 der Hohlkörper 1 ist beispielsweise ohne Unterbrechung zwischen den C-Profilen 8 hindurchgezogen und wird aussen am Zug-Druck-Element 3 durch einen Keder 10 gesichert. Der Steg 4 ist zwischen die aussen liegenden Lagen der Hülle 9 eingelegt und wird durch die Schraubenverbindung der C-Profile 8 festgeklemmt. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das so ausgeführte Zug- Druck-Element 3 im Detail.

Fig. 6 ist die Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines pneumatischen Bauelementes nach der vorliegenden Erfindung. Es ist gegenüber jenem von Fig. 1 und 2 nach oben gewölbt, seine Längsachse, hier mit Ziffer 6 bezeichnet, liegt daher näher beim nun mit 3b bezeichneten unteren Zug- Druck-Element als beim mit 3a bezeichneten oberen. Die Ableitung der Kräfte erfolgt über zwei Auflager 7, welche sowohl vertikale Druck- als auch Zugkräfte aufnehmen. Das Verhältnis von Länge zu Höhe des in Fig. 4 dargestellten pneumatischen Bauelementes beträgt etwa 15.

Die Fig. 7a, b sind Darstellungen des einen Endes eines erfindungsgemässen pneumatischen Bauelementes, beispielsweise nach Fig. 6; das nicht dargestellte Ende ist vorzugsweise spiegel- bildlich ausgeführt. An den Enden des Zug-Druck-Elemeήtes 3 sind die beiden Zug-Druck-Elemente zusammengeführt und bilden dort einen Knoten 14. Dieser wird dadurch erzeugt, dass der Steg 4 durch beispielsweise eine Platte 13 ersetzt wird, wel-

che die notwendigen Kräfte von und auf die Zug-Druck-Elemente 3 überträgt. Je nach den zum Einsatz kommenden Zug-Druck- Elementen kann eine solche Lösung zur Kraftübertragung jedoch anders gestaltet sein. Dem Fachmann sind sie ohne besonderen Aufwand zugänglich.

Fig. 7a stellt eine Seitenansicht des Knotens 14 dar, Fig. 7b einen Querschnitt.

In Fig. 8 ist die Frontansicht eines Dachelementes 16 dargestellt, welches aus einer Vielzahl von Bauelementen gemäss Fig. 1 zusammengesetzt ist. Das Zusammensetzen geschieht jeweils an einem zwischen den Hohlkörpern 1 liegenden Zug- Druck-Elementes 3. Der Abstand der Zug-Druck-Elemente 3 beträgt jeweils 2-Ro, dem Durchmesser der Endkappen 5. Ein Dach-Element 16 gemäss Fig. 7 kann auf ein geeignetes Stütz- gerüst aufgelegt werden. Solange die Auflagefläche im Wesentlichen eben ist, ist die Art der Auflage unkritisch: Es ist nicht notwendig, das Dachelement 16 auf die Zug-Druck- Elemente 3 aufzulegen; es kann auch auf die Hohlkörper 1 aufgelegt werden, sofern keine Verletzungsgefahr besteht. Zum Errichten eines aus einem oder mehreren Dachelementen 16 bestehenden Daches wird ein solches Dachelement 16 beispielsweise in einer Montagehalle aus Zug-Druck-Elementen 3, den Stegen 4 und den Hüllen 9 der Hohlkörper 1 zusammengefügt. Jeder Hohlkörper 1 weist - bei gasdichtem Steg 4 - einen ei- genen Anschluss 18 für das Druckgas auf. Diese Anschlüsse 18 werden in aller Regel auf eine gemeinsame Druckgasleitung 19 gelegt, so dass alle Hohlkörper 1 den gleichen Gasdruck aufweisen. Nach dem Zusammenbau dieser genannten Einzelteile kann das ganze Dachelement 16 - beispielsweise auf einem Lastwagen - auf die Baustelle transportiert und dort unter Gasdruck gesetzt werden. Danach wird das Dachelement, das nun durch das Druckgas stabilisiert ist, auf die vorgesehene und vorbereitete Unterlage mittels eines Krans aufgesetzt und dort befes- tigt.

An den seitlichen Enden eines Dachelementes 16 sind Seitenabschlüsse 17 angeordnet. Auch diese bestehen aus Hohlkörpern 1 wie in Fig. 8 dargestellt. Deren Maximaldurchmesser ent-

spricht im Wesentlichen dem seitlichen Abstände von jeweils zwei Zug-Druck-Elementen 3. Der Formverlauf der Seitenabschlüsse 17 ist aus Fig. 8 ersichtlich.

Bei grossen Dächern können mehrere gleiche Dachelemente 16 nebeneinander gelegt und jeweils an den äussersten Zug-Druck- Elementen 3 aneinander befestigt werden.

In den Fig. 10, 11, 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen pneumatischen Bauelementes dargestellt. Fig. 10 zeigt ein bogenförmiges Zug-Druck-Element 30, welches auf zwei Schwenklagern 29 auf einer Schwenkachse 20 aufliegt und um diese schwenkbar ist. Das bogenförmige Zug- Druck-Element 30 weist einen äusseren Bogen 21 und einen inneren Bogen 22 auf. Diese Bogen 21, 22 sind durch eine Anzahl - beispielsweise fünf - unter einander parallele Streben 23 und durch eine Vielzahl von Zugdrähten 24 verbunden und so auch ohne pneumatische Hohlkörper vorstabilisiert. Parallel zu der Schar von Zugdrähten 24 ist wiederum, wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1, 2, ein Steg 4 eingezogen und mittels einer Kederverbindung an den Bogen 21, 22 befestigt. Fig. 10 zeigt ein aus bogenförmigen pneumatischen Bauelementen 25 aufgerichtetes, kuppeiförmiges Dach 26. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, 2 wird eine Anzahl - beispielsweise achtzehn - von Hohlkörpern 1 erzeugt und mit den bogenförmigen Zug-Druck-Elementen 30 verbunden wie darge- stellt. Das Vorfertigen des Daches 26 kann, wie zum Dachelement 16 ausgeführt, in einer Montagehalle geschehen. Bausei- tig muss ein Knoten 27 am Boden befestigt oder einbetoniert sein. Die bogenförmigen Zug-Druck-Elemente 30 weisen an deren Enden je einen - nicht dargestellten - Anschluss auf, welcher gestattet, die bogenförmigen Zug-Druck-Elemente 30 um die Achsen 20 schwenkbar zu lagern. Hierzu sind im Bauwesen mannigfaltige Lösungen bekannt. Nach dem Transport auf die Baustelle werden diese genannten Anschlüsse am Knoten 27 vorgenommen. Das Aufrichten des kuppeiförmigen Daches 26 erfolgt nun durch Befüllen der einzelnen bogenförmigen Bauelemente 25 mit Druckgas. Sind alle Anschlüsse 18, wie in Fig. 7 ausgeführt, an eine gemeinsame Druckgasleitung 19 angeschlossen, so wird

das oberste Bauelement 25 zuerst die runde Form annehmen, sukzessive gefolgt von den darunter liegenden. Das Dach 26 ist in zwei Hälften aufgeteilt, welche bei völligem Befüllen das Dach dicht abschliessen. Alternativ kann der Abschluss - anstatt durch Hohlkörper 1 - auch durch zwei zusammenschliessbare bogenförmige Zug-Druck- Elemente 30 vorgenommen werden. Dazu sind, auf die genannten Zug-Druck-Elemente 30 verteilt, mehrere pneumatisch oder e- lektrisch zu betätigende Schliessmechanismen vorgesehen (nicht dargestellt) . Hierzu sind im Maschinenbau zahlreiche Lösungen vorhanden.