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Die Erfindung betrifft eine Hallenkonstruktion, insbesondere für Sporthallen mit einem Grundriss in Form eines Rechteckes mit schräg abgeschnittenen Eckbereichen und vertikal hochragenden etwa durch Wände gebildeten Stützelementen zur Auflage einer Dachkonstruktion.
Für den Bau grosser stützenfreier Hallen werden bisher überwiegend Rahmen-, Bogen-, Schalen- und Faltwerkskonstruktionen sowie in räumliche Gitterkonstruktionen aufgelöste Plattenkonstruktionen verwendet, soferne es sich nicht um Hallen mit freier Grundrissform z. B. Kreisform und andere nichtlineare Grundrisse handelt, für die Kuppel- und Hängekonstruktionen u. ähnl. gebräuchlich sind.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hallen für jene Anwendungsgebiete, bei denen bevorzugt die rechteckige Grundrissform benutzt wird, wie z. B. Sporthallen mit rechteckigen, länglichen Spielfeldern.
Bei Rahmen- und Bogenkonstruktionen treten schon aus der lotrechten Belastung grosse Horizontalschübe auf, die zumeist wesentlich grösser sind als die einwirkende lotrechte Belastung und entweder durch grosse Fundamente oder durch aufwendige Zugbänder aufgenommen werden müssen. Schalen- und Faltwerkskonstruktionen werden häufig für Hallendächer benutzt, wobei die Schalen und Faltwerke auf die Wände oder auf Skelettkonstruktionen z. B. mit in den Fundamenten eingespannten Stützen aufgesetzt werden.
Durch entsprechende Ausbildung dieser Schalen- und Faltwerkskonstruktionen bzw. ihrer Auflagerungen können aus lotrechten Lasten entstehende Horizontalschübe vermieden werden, wobei dann die auf die Halle einwirkenden Horizontallasten direkt von den Wänden und Skelettkonstruktionen in die Fundierung übertragen werden, wozu es entsprechend grosser Stützenquerschnitte bzw. Fundamente bedarf.
Reine Stützen- und Trägerkonstruktionen, wie sie sonst im Hochbau allgemein verwendet werden, haben bei grösseren Spannweiten einen hohen Materialbedarf, der zwar z. B. durch die Benutzung von Fachwerkträgern gesenkt werden kann. Die grössere Bauhöhe der Fachwerkträger vergrössert aber die Hallenhöhe und damit die Kosten für die Wandausbildung und vergrössert auch das umbaute Volumen der Halle, was wieder, z. B. für die Heizung und Lüftung, grössere Investitionskosten und Betriebskosten bedeutet. Das gleiche gilt für die in räumliche Gitterkonstruktionen aufgelöste Plattenkonstruktionen und sonstige Stabwerke, die ebenfalls eine grosse Bauhöhe aufweisen.
Im allgemeinen bieten rechteckige Hallen grösserer Abmessung, wie z. B. Sporthallen, grosse gestalterische Schwierigkeiten in bezug auf die Einpassung in die Umgebung, insbesonders dann, wenn sich oberhalb des Spielfeldes noch Tragkonstruktionen mit grosser Bauhöhe, wie z. B. Fachwerke und Gitterkonstruktionen befinden oder Bogenkonstruktionen verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hallenkonstruktion zu schaffen, die die Nachteile der bisherigen Konstruktionen vermeidet, insbesonders die Bauhöhe der Konstruktion, die massgebend für die gesamte Hallenhöhe ist, auf ein Mindestmass drückt, dennoch materialsparend ist, das umbaute Hallenvolumen möglichst gering hält und damit neben den Baukosten auch die geringeren laufenden Betriebskosten für Heizung und Lüftung aufweist und auch einfach fundiert werden kann. Zugleich soll durch eine aufgelöste, struktuierte Form ein günstiger optischer Eindruck geschaffen werden und dazu die für den Beschauer wirksam werdende Höhe der Aussenwände gering gehalten werden.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Dachkonstruktion aus mindestens drei nebeneinander angeordneten und miteinander ein Faltwerk bildenden schubsteifen Scheiben besteht, welches Faltwerk die Hallenfläche in Längsrichtung überspannt, wobei die beiden seitlichen Scheiben des Faltwerkes schräg nach unten geneigt sind und an den vertikal hochragenden Stützelementen angeschlossen sind, und dass zumindestens ein Teil der vertikal nach oben ragenden Stützelemente zur Aufnahme horizontaler Lasten ausgebildet ist. Dadurch wird die gesamte Hallenkonstruktion nur aus mehreren vertikal, horizontal bzw. schräg angeordneten, miteinander zu einer räumlich wirkenden Faltwerkskonstruktion verbundenen Scheiben gebildet, wobei alle Vertikal- und Horizontallasten von den Scheiben in ihrer Ebene aufgenommen und in die Fundamente geleitet werden.
Biegewirkungen treten nur örtlich für die Übertragung der quer auf die Scheiben wirkenden Lasten zu den Rändern der Scheiben auf, die zugleich die Kanten des Faltwerkes darstellen, wodurch die die Scheibe bildenden Tragelemente quer zur Scheibenebene geringe Abmessungen erhalten. Damit ergibt sich neben einem geringen Materialbedarf auch eine geringe Bauhöhe der Halle.
Durch die Anordnung der schräg nach unten geneigten Scheiben des Dachfaltwerkes sowie durch die Anordnung der vertikal hochragenden Stützelemente entlang des achteckigen Grundrisses, ergibt sich
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darüber hinaus eine weitere Verringerung des umbauten Volumens. So müssen bei Sporthallen rechteckige, längliche Spielfelder überbaut werden. Um diese eigentlichen Spielfelder müssen weitere Freiflächen angeordnet werden, um den Sportlern den erforderlichen Auslauf zu gewährleisten. Dieser Auslauf ist üblicherweise in der Spielrichtung, die in die Längsrichtung des rechteckigen Spielfeldes geht, grösser als in der Querrichtung. Demgemäss ist der Auslauf an der Schmalseite des Spielfeldes grösser als an der Längsseite.
In der Diagonalrichtung des rechteckigen Spielfeldes gesehen liegt der von den sportlichen Belangen her erforderliche Auslauf zwischen den Werten für die Schmalseite und die Längsseite. Jedenfalls aber entstehen bei rechteckigem Hallengrundriss in den Ecken sportlich gar nicht erforderliche tote Flächen, die durch schrägstehende Wandscheiben vermieden werden können, wodurch sich das Hallenvolumen vermindert. Eine ähnliche Überlegung gilt für die Höhe der Halle über den das Spielfeld umgebenden Freiflächen. Während die Höhe der Halle über dem Spielfeld sich aus den sportliche Erfordernissen, z. B. die Flugbahn von Bällen ergibt, kann die Höhe über den Freiflächen verringert werden, was durch schräg nach unten geneigte Dachscheiben erreicht wird. Dadurch verringert sich wieder das Hallenvolumen.
Die Scheiben des Dach-Faltwerkes sind vorzugsweise als Fachwerke ausgebildet, deren Gurtungen in den Kanten des Faltwerkes zu liegen kommen. Dadurch wird jeweils die volle Breite sämtlicher Scheiben als statisch wirksame Höhe ausgenutzt. Weiters können die Gurtungen in den innenliegenden Faltwerksknoten jeweils für die Kraftübernahme der beiden dort zusammentreffenden Scheiben herangezogen werden.
Als vertikal hochragende Stützelemente werden zweckmässigerweise schubsteife Scheiben benutzt, welche gleichfalls fachwerksartig ausgeführt sein können. Die Gurtungen dieser Fachwerksscheiben bilden dann in den Kanten Zug- und Druckkräfte aufnehmende Elemente.
Auch dort wo keine schubsteifen Scheiben vorhanden sind, ist es vorteilhaft, in den Ecken des Grundrisses eine Skelettkonstruktion anzuordnen, da die Kraftübertragung aus dem Dachfaltwerk in die Unterkonstruktion vornehmlich an den Knoten des Dach-Faltwerkes und damit an Eckpunkten des Grundrisses erfolgt. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass ein Teil der seitlichen Begrenzungswände an dem Dach-Faltwerk hängend angeordnet ist. Dadurch wird eine Fundierung zur Aufnahme des Gewichtes dieser Wände entbehrlich, so dass die Hauptfundierung der Hallenkonstruktion nur in den acht Eckpunkten des Grundrisses vorgenommen werden muss. Das Gewicht der hängend angeordneten seitlichen Begrenzungswände erzeugt im Dach-Faltwerk zusätzlich eine Entlastung der dort wirkenden Biegemomente.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das die Hallenfläche in Längsrichtung überspannende Faltwerk mindestens eine quer zur Spannrichtung verlaufende Knickstelle, vorzugsweise einen höherliegenden Dachfirst, aufweist. Dadurch kann die Hallenhöhe an das Raumerfordernis, z. B. an die Flugbahn von Bällen, optimal angepasst werden. Zweckmässigerweise ist an der Knickstelle ein das Faltwerk in Querrichtung aussteifende Träger angeordnet. Damit wird verhindert, dass das Dach-Faltwerk an der Knickstelle durch die an dieser Stelle entstehenden Umlenkkräfte auf Querbiegung belastet wird.
Soferne es sich um einschiffige Hallen handelt bzw. um mehrschiffige Hallen, bei denen Innenstützen unterhalb des seitlichen Randes des Dach-Faltwerkes nicht stören, kann der Träger an der Knickstelle an seinen Aussenenden zumindest lotrecht unterstützt sein. Damit verkürzt sich die Spannweite des Dach-Faltwerkes.
Durch die schräge Anordnung der Dachscheiben lässt sich noch ein weiterer Vorteil erzielen. Wenn nämlich die schrägliegenden Dachscheiben für Tageslicht durchlässig z. B. verglast ausgeführt werden, ist eine seitlich von oben kommende Ausleuchtung gegeben. Diese Ausleuchtung ist sehr gleichmässig und einer Ausleuchtung durch Lichteinfallsöffnungen direkt oberhalb des Spielfeldes überlegen, bei denen die Sportler z. B. bei der Verfolgung der Flugbahn des im Spiel befindlichen Balles stets geblendet werden und das Auge durch die rasche Folge der Hell- und Dunkelflächen stark ermüdet. Diese Ausleuchtung durch die schrägliegenden Dachscheiben ermöglicht es die vertikalen Wände lichtundurchlässig auszuführen, was wieder Blendungen vermeidet.
Ausserdem liegen damit die Verglasungen in jenen Zonen der Halle, in denen die Beschädigungsgefahr am geringsten ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemässen Anordnung liegt darin, dass es damit möglich ist, mehrere Spielfelder nebeneinander mit gleich günstiger Ausleuchtung anzuordnen.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben, wobei von einer Halle mit einem Spielfeld ausgegangen wird und vorausgesetzt ist, dass die Hallenhöhe in der Mitte der Spielfeldlänge grösser sein soll als an den Schmalseiten des Spielfeldes. Zu diesem Zweck besitzt die Dachkonstruktion einen höher liegenden Dachfirst. Dies entspricht etwa den Erfordernissen einer Tennishalle.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 den Grundriss der Halle mit strichliert eingetragenem Spielfeld ; Fig. 2 den Querschnitt der Halle in der Mitte des Spielfeldes mit der horizontal liegenden mittleren Dachscheibe und den beiden schräg liegenden Dachscheiben ; Fig. 3 einen vertikalen Längsschnitt von c nach f mit den Dachscheiben und den Sitrnwandscheiben ; Fig. 4 eine axonometrische Darstellung der Halle ; Fig. 5 eine Ansicht der Längsfront und Fig. 6 eine Ansicht der Stirnfront der Halle ; Fig. 7 eine Draufsicht auf mehrere nebeneinander angeordnete Hallenkonstruktionen ; Fig. 8 eine Vorderansicht der Anordnung nach Fig. 7 ; Fig. 9 eine Ansicht eines biegesteifen Trägers ; Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Hallenkonstruktion im Bereich des Dachfirstes und Fig. 11 die Kräfteverteilung bei einer Hallenkonstruktion.
Die Aufnahme der wirkenden Belastungen erfolgt auf folgende Art. Die lotrechten Lasten, z. B.
Eigengewicht und Schneelast auf die Dachfläche --i-j-k-l-q-m-n-o-p-t-i-- werden durch die innerhalb dieses Bereiches liegenden Scheiben --1, 2--, insbesonders die schrägen Dachscheiben --2-- aufgenommen und zu den Schmalseiten der Halle geleitet und bevorzugt in den Punkten--j, k, n, o und/oder i, 1, m,
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B.--c-k-r-n-f-c-- werden über die Dachscheiben zu den Kanten--j-k bzw. n-o--übertragen und von dort bevorzugt durch die Stirnwandscheiben --3 b-c-k-j-b bzw. f-g-o-n-f-- und/oder die vertikalen Schrägscheiben --4 a-b-j-i-a und c-d-l-k-c bzw. e-f-n-m-e und g-h-p-o-g-- in die Fundamente abgeleitet. Horizontale Kräfte in der Längsrichtung der Halle, z.
B. Wind auf die Aussichtsfläche --a-b-c-d-l-k-j-i-a-- werden bevorzugt durch die vertikalen Schrägscheiben--4 a-b-j-i-a bzw. c-d-e-k-c und e-f-n-m-e bzw. g-h-p-o-g-- abgetragen.
Die erfindungsgemässe Hallenkonstruktion ist also in allen drei Raumrichtungen stabil und kann die wirkenden Lasten lediglich durch Kräfte in den Scheibenebenen abtragen. Es ergibt sich dabei aus der vorangeführten Beschreibung, dass lediglich die acht Punkte --a bis h--die gesamten Belastungen in die Fundamente übertragen. Es genügen also acht Einzelfundamente zur Auflagerung der gesamten Hallenkonstruktion, wobei diese Fundamente im wesentlichen ausser den an sich im Vergleich zu den lotrechten Lasten geringen Komponenten der in Quer- bzw. Längsrichtung der Halle wirkenden Horizontallasten, z. B. Windlasten, nur vertikal gerichtete Druck- bzw. Zugkräfte zu übernehmen haben.
Zur Vereinfachung der Herstellung und zum Ausgleich der Kräfte können bevorzugt jeweils die Punkte --a und b, c und d, e und f sowie g und h--zu einem unter der jeweiligen Scheibe --4-- liegenden Fundamentkörper zusammengefasst werden, so dass die gesamte Hallenkonstruktion nur auf vier Fundamenten aufgesetzt ist. Dies ist für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Systems von grosser Bedeutung, da damit die Fundamente auch bei ungünstigen Bodenverhältnissen wesentlich einfacher und billiger ausgeführt werden können als die sonst für Hallen dieser Grösse erforderlichen Fundamente, die auch noch Einspannmomente, Schubkräfte aus Rahmenwirkungen u. dgl. aufzunehmen haben.
Dies ist auch deswegen so wichtig, weil Sportanlagen und damit im Zusammenhang stehende Sporthallen häufig auf Flächen angeordnet werden, die wegen der schlechten Baugrundverhältnisse bislang nicht verbaut wurden.
In der oben angeführten Betrachtung über die Abtragung der Lasten wurde vorausgesetzt, dass die Flächen --5-- begrenzt durch die Kanten --d-e-m-q-l-d bzw. a-h-p-t-i--, nicht schubsteif ausgeführt sind und daher in ihrer Ebene auch keine Horizontalkräfte übernehmen können. Dies wurde deswegen vorausgesetzt, um die Abtragung der Lasten auch für jenen Fall zu beschreiben, bei denen weitere erfindungsgemäss ausgebildete Faltwerksysteme entlang dieser Kanten angesetzt sind und dabei diese Flächen --5-- offen verbleiben, z. B. für den Fall einer Mehrfeldhalle mit mehreren nebeneinander angeordneten Tennisfeldern. Dabei ist jedem Tennisfeld ein Faltwerksystem zugeordnet, wie in Fig. 7 in der Draufsicht und Fig. 8 in der Ansicht quer zu den Stirnflächen gezeigt ist.
Es versteht sich, dass der erfindungsgemässe Gedanke auch dann erhalten bleibt, wenn im Fall einer Einfeldhalle auch diese Flächen - -5-- schubsteif ausgebildet werden. In sinngemäss gleicher Art können die Faltwerksysteme auch entlang der Flächen-3 oder 4-aneinandergesetzt werden, wobei diese Felder dann mit oder ohne Schubsteifigkeit ausgeführt werden können.
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Das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt aus schon früher angeführten Gründen einen Knick in den Dachscheiben in der Mitte der Hallenlänge, wodurch sich ein First im Dach
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des die Längsrichtung der Halle überspannenden Faltwerkes, gebildet aus den Scheiben --2, 1, 2--, aufnimmt. Es versteht sich, dass die Erfindung auch jene Fälle umfasst, wo kein oder mehrere Knickstellen in der Spannweite der Dachscheiben angeordnet werden. Das gleiche gilt für Variationen des Kräftespieles in den Scheiben, die z. B. durch die Anordnung von zugfesten, jedoch nicht knickstabilen Diagonalverbänden so ausgebildet sein können, dass sie nur in einer Richtung schubsteif sind. Weiters ist der
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass z. B. die Punkte--q und t--durch vertikale Stützen mit eigenen Fundamenten gehalten werden. Damit reduziert sich die Spannweite der Dachscheiben, wobei wieder vorzugsweise ein biegesteifer Träger entlang des Linienzuges --q-r-s-t-- zur Aufnahme der Reaktionskräfte im Knick der Scheiben angeordnet wird. Die Fig. 10 zeigt den Querschnitt dieser Ausführungsform mit den Stützen--6--, dem biegesteifen Träger --9-- und den Stützenfundamenten--10--.
Die erfindungsgemässe Hallenkonstruktion mit dem Faltwerk, gebildet aus den drei Dachscheiben - -2, 1, 2-- bringt auch dann, wenn die Flächen --5-- offen bleiben, erhebliche Vorteile für die Aufnahme von örtlichen Biegemomente verursachenden Kräften quer zur Scheibenebene. Fig. 11 zeigt, dass die Dachscheiben --2, 1, 2-- sich für die daraus resultierende örtliche Biegung wie ein Träger mit einer
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Die von der Scheibe-l-aufzunehmenden Biegemomente sind damit wesentlich geringer als bei jenen auch üblichen Konstruktionen, bei denen die volle Hallenbreite --B-- überspannt werden muss. Damit ergibt sich eine ausserordentlich geringe Bauhöhe der Konstruktion und kann bei vorgegebener lichter Höhe die gesamte Höhe der Halle möglichst gering gehalten werden. Dadurch wird Material und umbautes Hallenvolumen eingespart.
Dieser Effekt wird noch vergrössert bei Hallen, wenn die Seitenwände --5-- am unteren Rand der Scheiben --2-- hängend angeordnet werden, weil dadurch das entlastende Kragmoment noch vergrössert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hallenkonstruktion, insbesondere für Sporthallen mit einem Grundriss in Form eines Rechteckes mit schräg abgeschnittenen Eckbereichen und vertikal hochragenden etwa durch Wände gebildeten Stützelementen zur Auflage einer Dachkonstruktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Dachkonstruktion aus mindestens drei nebeneinander angeordneten und miteinander ein Faltwerk bildenden schubsteifen Scheiben (1, 2) besteht, welches Faltwerk die Hallenfläche in Längsrichtung überspannt, wobei die beiden seitlichen Scheiben (2) des Faltwerkes schräg nach unten geneigt sind und an den vertikal hochragenden Stützelementen (3,4, 5) angeschlossen sind, und dass zumindestens ein Teil der vertikal nach oben ragenden Stützelemente (3,4, 5)
zur Aufnahme horizontaler Lasten ausgebildet ist.