Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Pneumatische Bauelemente in der Form von aufblasbaren rohrformigen Hohlkorpern sind mehrere bekannt geworden, so beispielsweise aus US 3,894,307 (D1), US4,712,335 (D2), US 5,735,083 (D3) und FR 2,741,373 (D4). Wird ein solches Bauelement transversal belastet, so liegt die zu losende Aufgabe vor allem darin, die auftretenden Zug- und Schubkrafte aufzunehmen, ohne dass das Bauelement einknickt. Wahrend aus D3 und D4 vor allem Losungen bekannt sind, wie die Zugkrafte aufgenommen werden konnen, werden in D1 und D2 zusatzlich Losungen fur die Aufnahme von Druckkraften offenbart.
In D2 werden die Druckkrafte durch zahlreiche Kohlefaserstabe aufgenommen, welche zwischen zwei gesondert zu errichtende Widerlager - beispielsweise aus Stahlbeton - eingespannt sind. Der pneumatische Teil der dort beschriebenen Bauelemente hat nur die Aufgabe, die Druckstabe gegen vor allem seitliches Ausknicken zu stabilisieren.
In D1 werden mehrere der beschriebenen Bauelemente parallel zusammengefasst zu einer Brucke. Die Zugkrafte werden durch untenliegende, gesondert gefuhrte Kabel aufgenommen, die Druckkrafte durch die aus Elementen aneinandergereihte Bruckenplatte. Dabei muss jedes Element gegen Ausknicken fur sich an zwei weiteren, parallel zu den pneumatischen Elementen verlaufenden, Kabeln gesichert werden.
In den der vorliegenden Erfindung am nachsten liegenden Dokumenten D1, D2, werden Vorrichtungen beschrieben, welche zwar sowohl Zug-. als auch Druckelemente aufweisen, im Ubrigen jedoch sowohl in der Herstellung als auch im Einsatz sehr aufwendig sind. Uberdies sind die eigentlichen pneumatischen Elemente lediglich als Abstandshalter zwischen Zug- und
Druck-elementen eingesetzt und konnten in dieser Funktion auch durch andere Leichtbauelemente ersetzt werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung von pneumatischen Bauelementen mit Zug- und Druckelementen, welche einfach und kostengunstig hergestellt, leicht zu komplexeren Bauteilen und Bauten wie Dachern und Brucken zusammengefugt werden konnen und deren Aufrichtung zudem sehr schnell erfolgen kann.
Die Losung der Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale, in den folgenden Anspruchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausbildungen.
Anhand der beigefugten Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand mittels mehrerer Ausfuhrungsbeispiele naher erlautert.
Es zeigen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispiels des Erfindungsgedankens. Das hier gezeigte Bauelement besteht aus einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen mit Druckluft beaufschlagten Hohlkorper 1 der Lange L und mit einer Langsachse A, welcher aus einem flexiblen und luftdichten Material gefertigt ist. Auf seiner Oberseite ist ein auf axiale Krafte beanspruchbarer Druckstab 2 angebracht. Dessen Enden sind als Knoten 3 ausgestaltet, an denen je zwei Zugelemente 4 befestigt sind. Die axialen Enden des Hohlkorpers 1 tragen je eine Kappe 5; beispielsweise eine dieser Kappen 5 ist mit einem Ventil 6 zur Be- und Entluftung des Hohlkorpers 1 ausgerustet.
Die zwei Zugelemente 4 umschlingen den Hohlkorper 1 schraubenformig in entgegengesetztem Umlaufssinne beispielsweise je einmal mit konstanter Ganghohe. Daher uberschneiden sie einander an einer Stelle 8 in der Mitte einer dem Druckstab 2 gegenuberliegenden Mantellinie 7. Druckstab 2 und Mantellinie 7 liegen beide in einer Symmetrieebene E, welche ebenfalls die mit A bezeichnete Langsachse des Hohlkorpers 1 enthalt.
Der Druckstab 2 ist so auf dem Hohlkorper 1 angebracht, dass er beispielsweise im schlaffen Zustande des Hohlkorpers 1 eingeschoben werden kann, wie in Fig. 3a, b gezeigt wird. Damit ist er gegen seitliches Ausknicken gesichert. Verschiedene Ausfuhrungsarten der Knoten 3 sind bekannt und dem Bauingenieur gelaufig, womit hier auf deren Darstellung verzichtet werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Belastungsbeispiel des Bauelementes gemass Fig. 1a, b. Eine in der Symmetrieebene E liegende Kraft Fm wirkt auf die Mitte des Druckstabes 2. Dieser ist in den Knoten 3 unterstutzt. Unter Vernachlassigung des Eigengewichtes des Bauelementes wirken dann Auflagerkrafte FA auf jeden Knoten 3. Wie dem Fachmann bekannt ist, wirken nun von beiden Knoten 3 aus reine Druckkrafte Fs auf den Druckstab 2 und reine Zugkrafte Fz in den Zugelementen 4, wobei sich die vektoriellen Komponenten dieser Zugkräfte, welche senkrecht zur Symmetrieebene E stehen, jeweils zu Null kompensieren, jedoch dem Bauelement senkrecht zur Symmetrieebene E eine grosse Steifigkeit und Knickfestigkeit erteilen. Die Grenzlast eines solchen Bauelementes ergibt sich daraus, dass die durch die Zugspannung der Zugelemente 4 verursachte Flachenpressung (in N/m2) des Hohlkorpers 1 kleiner sein muss, als der im Hohlkorper 1 herrschende Uberdruck p.
Fig. 3a, b, c sind Darstellungen einiger Ausfuhrungsdetails des Hohlkorpers 1. Im Querschnitt gemäss Fig. 3a ist der Hohlkorper 1 in Funktionstrennung ausgefuhrt: Eine aussere Hulle 10, beispielsweise aus einem textilen Gewebe gefertigt, ubernimmt die Kraft- und Spannungsbeanspruchungen. In ihrem Inneren birgt sie einen luftdichten Schlauch 11 aus einem geeigneten Elastomer, welcher durch die Hülle 10 in seiner Form definiert und gehalten wird. Beispielsweise auf die Hulle 10 aufgenaht sind Manschetten 12, 13, welche durchgehend oder auch unterbrochen sein konnen. Die Manschette 13 nimmt den Druckstab 2 auf, die Manschetten 12 die Zugelemente 4, welche hier als flache Bander ausgefuhrt sind.
In der Ausfuhrung gemass Fig. 3b bilden die Hulle 10 und der Schlauch 11 eine Funktionseinheit, welche als Druckkorper 14 bezeichnet wird und beispielsweise aus einem kunststoffbeschichteten Gewebe besteht, welches in bekannter Weise entweder genaht und abgedichtet, geschweisst oder geklebt ist. Als Variante zu den Manschetten 12, 13 tragt der Druckkorper 14 mehrere Laschen 15, 16, wobei die einfachen Laschen 15 für die Zugelemente 4 vorgesehen sind, deren Lage durch ihre Eigenschaft als geodatische Linien definiert ist, die Laschen 16 fur den Druckstab 2 jedoch als sog. Capstan-Laschen ausgefuhrt sind, welche den Druckstab 2 einmal umschlingen. Im schlaffen Zustande des Druckkorpers 14 sind die Laschen 16 locker, der Druckstab lasst sich ohne weiteres einschieben. Im Betriebszustande des Druckkorpers 14 sind sie jedoch straff um den Druckstab 2 gelegt und verhindern damit dessen seitliches Ausknicken. Den Anforderungen entsprechend, die an das Bauelement gestellt werden, konnen die verwendeten Materialien in einem weiten Bereich angepasst werden. Fur einfachere Anwendungen sind textile Materialien wie Polyesterseile und -Gewebe fur die Zugelemente 4 und die Bewehrung des Hohlkorpers 1 vollauf genugend und zudem kostengunstig. Fur den Druckstab 2 konnen selbst einfache Materialien wie beispielsweise Bambusstabe verwendet werden. Da der Druckstab 2 gegen seitliches Ausknicken durch die Manschetten 13 gut gesichert ist, kann der Druckstab 2 auch aus stumpf stossenden Einzelstucken zusammengesetzt sein.
Fur hohe Belastungen konnen jedoch textile Materialien aus Aramidfasern und fur den Druckstab 2 Kompositmaterialien aus Kohlefasern in einer geeigneten Kunststoffmatrix vorgesehen werden.
Die in den Fig. 3a, b, c dargestellten Ausfuhrungsbeispiele sind ohne beschrankenden Charakter; dem mit der Losung dieser Details vertrauten Fachmann werden viele weitere Losungen fur die Details zur Verfugung stehen.
Das erste Ausführungsbeispiel des pneumatischen Bauelementes gemass Fig. 1a, b, 2 ist vorzugsweise geeignet fur eine Punktlast in der Mitte des Bauelementes oder fur eine gleichmassig verteilte Belastung. Soll die Lastverteilung optimiert werden fur andere Lastangriffsstellen, so kann die Anzahl der Zugelemente 4 vermehrt werden. Dies wird anhand der Fig. 4a bis e gezeigt.
Fig. 4a zeigt das Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 1a, b und Fig. 2 in der Abwicklung des Hohlkorpers 1. In Fig. 4b beschreibt jedes Zugelement 4 zwei ganze Umlaufe um den Hohlkorper 1 und ist beispielsweise bei L/2 am Druckstab 2 ebenfalls befestigt. Wird das erfindungsgemasse Bauelement als Tragbalken oder ein ihm entsprechendes Element verwendet, so ist nach dem Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 4b eine Stütze bei L/2 notwendig. Damit geht dieses Ausfuhrungsbeispiel in jenes von Fig. 4a über bei halbiertem L.
Das Ausfuhrungsbeispiel gemass Fig. 4c ist hinsichtlich der Zugelemente 4 eine Uberlagerung jener gemass Fig. 4a und b. Da der Hohlkorper 1 wie in Fig. 4a bei L/2 durch die Zugelemente 4 unterfangen ist, ist hier keine Mittelstutze vonnoten. Ferner entfallt auch die Bevorzugung von Punktlasten bei L/2.
Im Ausfuhrungsbeispiel gemass Fig. 4d sind drei Paare von Zugelementen 4 eingesetzt; das Bauelement wird damit fur Linienlasten geeignet. An den Stellen 8, wo sich die Zugelemente 4 uberschneiden, sind diese gegenseitig gegen Verschieben gesichert. Fig. 4e zeigt den Einsatz von zwei parallel gegeneinander verschobenen Paaren von Zugelementen 4. Die nicht in den Enden des Druckstabes 2 ansetzenden Zugelemente 4 sind an diesem Stellen ebenfalls in Knotenelementen gesichert. Auch diese Ausfuhrung entscharft die Bevorzugung von Punktlasten in L/2.
Zwei Ausfuhrungsbeispiele in Form nicht zylindrischer Hohlkorper 1 sind dargestellt in Fig. 5, 6. Dasjenige von Fig. 5 weist einen torusformigen Hohlkorper 1 auf; der zugehorige Druckstab 2 ist dann beispielsweise kreisbogenformig.
Das Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 6 ist ein Doppelkonus mit beispielsweise kreisbogenformiger Mantellinie. Selbstverstandlich ist auch kegelstumpfformiger Hohlkorper 1 im Erfindungsgedanken mitenthalten
Die Zugelemente der Ausfuhrungsbeispiele gemass Fig. 5, 6 sind angeordnet analog zu Fig. 1,2. Selbstverstandlich sind alle Ausfuhrungsformen gemass Fig. 4a bis e, hier entsprechend angepasst, ebenfalls erfindungsgemass.
Fig. 7 ist die Darstellung eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemassen pneumatischen Bauelementes gemass Fig. 1, 2. Mehrere, beispielsweise funf, solcher Bauelemente sind zusammengefasst zu einer Brucke 18. An jedem Ende dieser Brucke 18 fasst ein Joch 19 alle Knoten 3 einer Bruckenseite zusammen und leitet die Auflagerkraft FA in die Bauelemente ein. Das Joch 19 ist in Fig. 7 durchsichtig dargestellt unter Verzicht auf jegliche technische Einzelheit, da die Ausbildung solcher Joche 19 dem Fachmann bekannt ist.
Quer uber die aus Hohlkorper 1, Druckstab 2 und Zugelementen 4 bestehenden pneumatischen Bauelemente sind beispielsweise Holzplanken 20 gelegt und in an sich bekannter Weise miteinander und den Druckstaben 2 verbunden. Das nicht dargestellte andere Ende der Brucke 18 ist in gleicher Art ausgefuhrt. Selbstverstandlich sind weitere bekannte Arten von Deckbelagen fur die Brucke moglich, wie Lochbleche oder andere geeignete Formen und Materialien.
Ebenfalls nicht dargestellt - da Stand der Technik - sind die Ventile 6 und ein allenfalls sie zusammenfassendes Sammelrohr zum gleichzeitigen und druckgleichen Aufpumpen der Hohlkorper 1.
Fig. 8 ist die Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des Erfindungsgedankens. Fig. 8a zeigt eine Seitenansicht, Fig. 8b eine Draufsicht und Fig. 8c einen Querschnitt. Der Hohlkorper 1 ist gleich ausgebildet, wie jener gemass Fig. 1 einschliesslich der verschiedenen Herstellungsvarianten. Das Ausfuhrungsbeispiel gemass Fig. 8 weist jedoch zwei seitlich angebrachte Druckstabe 2 auf. Jeder Druckstab 2 tragt an jedem Ende einen Knoten 3 zur kraftschlussigen Verbindung von Druckstab 2 und Zugelementen 4. Zwar nimmt bei gleichem Druckmesser des Hohlkorpers 1 nun dessen wirksame Hohe ab, gleichzeitig ist das Bauelement nach Fig. 8 (mit der Ziffer 22 belegt) jedoch in der Lage positive und negative Biegemomente aufzunehmen. Die so reduzierte maximale Belastbarkeit konnte, falls notig, selbstverstandlich durch die Wahl eines grosseren Durchmessers fur den Hohlkorper 1 kompensiert werden. Die Befestigung der Druckstäbe 2 am Hohlkorper 1 geschieht mit analogen oder gleichen Mitteln, wie beim ersten Ausfuhrungsbeispiel gemass Fig. 1, 2. Im Ubrigen gilt das zu Fig. 4a - e zu den Zugelementen Gesagte auch fur das Ausfuhrungsbeispiel gemass Fig. 8.
In Fig. 9 ist ein Anwendungsbeispiel einer Kombination von Bauelementen 22 gemass Fig. 8 dargestellt. Eine Vielzahl von solchen Bauelementen 22 ist nebeneinander angeordnet. Jeder Druckstab 2 ubernimmt die aus der Belastung des Bauelementes 22 in Richtung der Vektorpfeile (Lastkraft FL) in Fig. 9 resultierende Druckkraft zweier benachbarter Bauelemente 22. Zur Aufnahme eines Druckstabes 2 sind die Wandungen zweier benachbarter Hohlkorper 1 entlang zweier Mantellinien zusammengefugt - durch Nahen, Kleben oder Schweissen - wodurch eine langsverlaufende Tasche 21 entsteht. Durch das Aufpumpen der Hohlkorper 1 werden die in die zunachst noch schlaffen Taschen 21 eingeschobenen Druckstabe 2 zwischen den Hohlkorpern 1 eingeklemmt und sind gegen Ausknicken auf beide Richtungen gesichert. Durch eine solche Anordnung lasst sich ein leichtes Dach grosser Spannweite erzeugen, das zudem den grossen Vorteil hat sowohl Schneelasten als auch hebenden Windkraften standzuhalten.
Es ist im Erfindungsgedanken ferner enthalten, die in Fig. 5, 6 dargestellten Ausfuhrungsbeispiele mit zwei Druckstaben 2 gemass Fig. 8 zu versehen. Ferner konnen solche modifizierte Bauelemente gemass Fig. 5 und 8 auch aneinander gefugt werden gemass Fig. 9. Damit kann ein gewolbtes Dach realisiert werden; durch Variation des Krummungsradius der Bauelemente gemass Fig. 5 und 8 und Variation von deren Langen lasst sich auch eine Kuppel erzeugen.
Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel des Erfindungsgedankens zeigt Fig. 10. Hier sind um den zylindrischen Hohlkorper 1 vier Druckstabe 2 regelmassig verteilt angeordnet. Jeder Druckstab 2 weist wiederum an jedem Ende einen Knoten 3 auf, in welchem beispielsweise je zwei Zugelemente 4 befestigt sind. Zur besseren Ubersichtlichkeit der Fig. 10 sind jedem zu einem Druckstab 2 gehorigen Paar von Zugelementen je die gleichen Signaturen zugeordnet. Gegen Ausknicken der Druckstabe 2 in azimutaler Richtung des zylindrischen Hohlkorpers 1 und gegen radiales Ausknicken nach aussen sind sie durch Manschetten (analog den Manschetten 13 gemass Fig. 3) gesichert, und gegen radiales Ausknicken nach innen durch den Uberdruck im Hohlkorper 1. Auf diese Weise entsteht ein ausserordentlich leichtes und axial hoch belastbares pneumatisches Bauelement. Durch geeignete und an sich bekannte Mittel kann dafur gesorgt werden, dass die axiale Drucklast auf alle vier Druckstäbe gleichmassig verteilt ist.