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Die Erfindung betrifft einen Anschluss- und Vorspannknoten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und eine tensegre Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Tensegre Strukturen, die auch als Tensegrity-Strukturen bezeichnet werden, sind aus wenigstens zwei Druckgliedern in Form von Rohren, Stangen od. dgl. und einem diesen zugeordneten Netzwerk aus Zuggliedern in Form von Fäden, Seilen, Drähten, dünnen Stäben oder dgl. zusammengesetzt (z. B.
US 2003/0009974 A1 ). Während die Druckglieder z. B. aus Aluminium, Stahl oder einem stabilen Kunststoff gefertigt werden, bestehen die Zugglieder meistens aus Textil- oder Kunststoffmaterialien, einem Draht oder einem Drahtseil. Die Verbindung der Zugglieder mit den Druckgliedern erfolgt dadurch, dass die Druckglieder an ihren Enden mit Anschluss- und Vorspannknoten versehen werden, die Spannelemente aufweisen, an denen die Enden der Zugglieder befestigt sind. Alternativ ist es aber auch bekannt, die Zugglieder mit einer im Voraus berechneten Länge zu versehen, in an den Enden der Druckglieder angebrachte Schlitze einzulegen und ihr Verrutschen durch zwischen den Schlitzen angebrachte Knoten zu verhindern (z. B.
DE 297 18 375 U1 ). Angewendet werden derartige tensegre Strukturen bisher z. B. zur Herstellung von Kunstwerken, Designobjekten oder Modellen für den Mathematikunterricht.
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Ein bekannter Anschluss- und Vorspannknoten der eingangs bezeichneten Gattung (
US 369 611 ) weist ein hohlzylindrisches Anschlusselement auf, das an einem Ende offen ist und an diesem Ende einen Umlenkring, am entgegengesetzten Ende dagegen einen Boden aufweist und ohne weitere Befestigungsmittel sowie weitgehend unsichtbar in einer am einen Ende eines Druckgliedes ausgebildeten Aufnahmeöffnung angeordnet wird. In dem Anschlusselement steckt ein Einsatz mit am Umfang ausgebildeten Nuten, in denen jeweils die einen Enden der Zugglieder angeordnet werden. Diese sind an ihren freien Enden mit Verdickungen versehen, die den Einsatz an einer Stelle zwischen diesem und dem Boden hintergreifen. An den anderen Enden der Zugglieder ist eine entsprechende Anordnung vorgesehen. Außerdem ist eine Befestigungs- und Spannschraube vorhanden, die den Einsatz durchragt und derart in einer Gewindebohrung des Bodens befestigt ist, dass der Einsatz durch Drehen der Schraube in der einen oder anderen Richtung axial im Anschlusselement verschoben werden kann, wodurch gleichzeitig alle mit dem Einsatz über die Verdickungen gekoppelten Zugglieder gespannt oder entlastet werden. Alternativ können die Enden der Zugglieder auch mittels Muttern in einem ringförmigen, im Anschlusselement angeordneten und axial verschiebbaren Einsatz befestigt werden.
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Ein unerwünschtes Problem bei der Anwendung derartiger Anschluss- und Vorspannknoten besteht darin, dass stets alle einem solchen Knoten zugeordneten Zugglieder mit demselben Hub gespannt oder entlastet werden. Das macht eine individuelle Einstellung der Zugkraft eines einzelnen Zuggliedes unmöglich und erschwert dadurch den Zusammenbau einer Tensegrity-Struktur, die im Allgemeinen sehr empfindlich auf unrichtige Vorspannungen oder Vorspannungsänderungen reagiert. Außerdem werden durch die monolytische Vorspannung die Formenvielfalt und die möglichen Konstellationen statischer und dynamischer Struktureigenschaften eingeschränkt.
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Bekannt ist ferner eine Seilspannvorrichtung (
DE 102 04 797 B4 ), die z. B. zur Verspannung der Seile von Raumfachwerken dient, die zur Gestaltung von Spielplätzen vorgesehen sind, aber keine tensegre Strukturen darstellen. Während die Enden von Gerüststangen des Raumfachwerks jeweils an aus Hohl- oder Vollmaterial hergestellten, kugelförmigen Knotenpunkten befestigt sind, sind die mit Verdickungen versehenen Enden der Zugglieder an innerhalb oder außerhalb der Knotenpunkte montierten, kalottenförmigen Aufnahmeteilen fixiert. Diese können zum Spannen der Zugglieder mittels Spannschrauben in Richtung der Innen- oder Außenwandung der Knotenpunkte gezogen oder zur Entspannung der Zugglieder in der jeweils entgegengesetzten Richtung bewegt werden. Außerdem besteht bei dieser Seilspannvorrichtung die Möglichkeit, an einem Ende eines der Zugglieder eine Klemmhülse anstatt einer Verdickung anzubringen und die Klemmhülse mit einem eine Stellschraube aufnehmenden Innengewinde zu versehen. Durch Einstellung der Stellschraube kann das betreffende Zugglied zusätzlich gespannt oder gelockert werden. Nicht immer erwünscht ist bei diesem Anschluss- und Vorspannknoten der Umstand, dass die Druckglieder an sichtbaren Knotenpunkten enden und die eigentlichen Spannvorrichtungen innerhalb oder außerhalb dieser Knotenpunkte angeordnet und daher von außen sichtbar sind. Abgesehen davon ist der Aufbau der Knotenpunkte und Seilspannvorrichtungen vergleichsweise großvolumig und kompliziert, was für die Schaffung von tensegren, insbesondere filigranen tensegren Strukturen nicht erwünscht ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, den Anschluss- und Vorspannknoten der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, dass er eine individuelle Einstellung der Zugkraft aller ihm zugeordneten Zugglieder ermöglicht und dennoch einen vergleichsweise einfachen und schlanken Aufbau besitzt. Außerdem soll ein Prototyp einer tensegren Struktur vorgeschlagen werden, in welcher dieser Anschluss- und Vorspannknoten exemplarisch angewendet werden kann.
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Gelöst wird dieses Problem erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 9.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass der Boden des Anschlusselements sowohl mit wenigstens einem Spannelement als auch mit wenigstens einem Durchgang zur Festlegung eines mit einer Verdickung versehenen Zuggliedes versehen ist. Dadurch ergibt sich einerseits eine vergleichsweise einfache, aus wenigen Bauteilen bestehende Konstruktion für den gesamten Anschluss- und Vorspannknoten, während andererseits an jedem einzelnen Anschluss- und Vorspannknoten die Zugkraft wenigstens eines der zugeordneten Zugglieder individuell eingestellt werden kann. Diese individuelle Vorspannbarkeit ermöglicht es, die statischen und dynamischen Eigenschaften sowie die Form der Struktur zu beeinflussen. Das wird bei der Schaffung einer tensegren Struktur erfindungsgemäß dahingehend genutzt, dass jedes Druckglied an beiden Enden mit einem gleichartigen Anschluss- und Vorspannknoten versehen wird und die zugeordneten Zugglieder an einem Ende mit einer Verdickung versehen und am anderen Ende einem Spannelement zugeordnet werden. Dadurch kann nicht nur die Zugspannung jedes einzelnen Zuggliedes individuell eingestellt werden, sondern es besteht auch die Möglichkeit der Wahl, an welchem Ende eines Zuggliedes diese Einstellbarkeit gegeben sein soll. Dadurch wird insbesondere der Aufbau einer tensegren Struktur erheblich erleichtert. Außerdem ist die Vielfalt der Gestaltungsmöglichkeiten mit dem vorgeschlagenen Anschluss- und Vorspannknoten uneingeschränkt.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in perspektivischer Darstellung eine einfache, bekannte Tensegrity-Struktur zur exemplarischen Darstellung der Verwendung erfindungsgemäßer Anschluss- und Vorspannknoten;
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2 in einer auseinandergezogenen Darstellung einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anschluss- und Vorspannknotens;
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3 den Anschluss- und Vorspannknoten entsprechend 2, jedoch im zusammengebauten Zustand;
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4 eine Draufsicht auf ein Anschlusselement des Anschluss- und Vorspannknotens nach 2 und 3;
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5 eine Unteransicht eines Umlenkrings des Anschluss- und Vorspannknotens nach 2 und 3;
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6 eine Draufsicht auf einen Sicherungskonus des Anschluss- und Vorspannknotens nach 2 und 3;
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7 und 8 in den 2 und 3 entsprechenden Ansichten ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anschluss- und Vorspannknotens;
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9 bis 11 den 4 bis 6 entsprechende Ansichten eines Anschlusselements, eines Umlenkrings und eines Sicherungskonus des Anschluss- und Vorspannknotens nach 7 und 8; und
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12 eine Draufsicht auf eine Sicherungsmutter des Anschluss- und Vorspannknotens nach 7 und 8.
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1 zeigt den bekannten Aufbau eines Tragwerk-Systems in Form einer tensegren Struktur. Vier Druckglieder
1, die hier als Rundrohre aus Aluminium oder dgl. ausgebildet sind, sind in der für tensegre Strukturen typischen Weise zumindest teilweise über Kreuz gelegt, wobei sie sich jedoch nicht gegenseitig berühren. Die Enden der Druckglieder
1 sind durch einen aus Zuggliedern
2 bestehendes Netzwerk zu einem selbsttragenden Bauwerk miteinander verbunden, wobei die Zugglieder
2 im Ausführungsbeispiel aus Drahtseilen bestehen. Tensegrity-Strukturen dieser Art sind allgemein bekannt (z. B.
US 369 611 oder
US 2003/0009974 A1 ) und brauchen dem Fachmann daher nicht näher erläutert werden.
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2 bis 6 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anschluss- und Vorspannknotens 3 sowie dessen Einzelteile in verschiedenen Darstellungen. Gemäß 2 bis 4 enthält der Anschluss- und Vorspannknoten 3 als Hauptbestandteil ein hohlzylindrisches Anschlusselement 4 mit einem dem Innendurchmesser der Druckglieder 1 entsprechenden Außendurchmesser. Das Anschlusselement 4 ist im Wesentlichen topfförmig gestaltet, d. h. oben offen und mit einem Boden 5 versehen. Außerdem weist das Anschlusselement 4 an einem oberen Ende einen umlaufenden Flansch od. dgl. auf, der als axialer Anschlag dient, wenn das Anschlusselement 4 entsprechend 3 ohne weiteres Befestigungsmittel in eines der Enden eines der Druckglieder 1 eingesetzt wird. Aufgrund der Konstruktionsphilosophie tensegrer Strukturen mit der strikten Trennung der Druckglieder und der Differenzierung in Zug- und Druckglieder genügt die Befestigung des gesamten Anschluss- und Vorspannknotens im Druckglied 1 durch die ablaufenden Zugglieder 2.
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Das Anschlusselement 4 enthält außerdem einen Umlenkring 7, der mit ihm aus einem Stück gefertigt sein kann, vorzugsweise aber wegen der einfacheren Herstellbarkeit ein separates Bauteil bildet. Der Umlenkring 7 besitzt in diesem Fall einen hohlzylindrischen Abschnitt 8 mit einem dem Innendurchmesser des Anschlusselements 4 entsprechenden Außendurchmesser und einen daran nach oben anschließenden, umlaufenden Flansch 9, der sich beim Einlegen des Abschnitts 8 in das Anschlusselement 4 auf dessen Flansch 6 auflegt (3). Außerdem ist eine Oberseite 10 des Umlenkrings 7 als eine konvexe Anlagefläche für die einzulegenden Zugglieder 2 ausgebildet, wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist.
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Schließlich enthält der erfindungsgemäße Anschluss- und Vorspannknoten 3 noch einen Einsatz in Form eines Sicherungskonus 11 mit einer abgesetzten Mittelbohrung 12 und eine aus 3 ersichtliche, in die Mittelbohrung 12 einsetzbare Befestigungsschraube 14, deren Kopf im abgesetzten Teil der Mittelbohrung 12 angeordnet und deren an den Kopf anschließendes Außengewindeteil in eine Gewindebohrung 15 eingedreht werden kann, die mittig im Boden 5 des Anschlusselements 4 angebracht ist. Die äußere Kontur des Sicherungskonus 11 ist gemäß 3 so gewählt, dass sie sich beim Eindrehen der Befestigungsschraube 14 in die Gewindebohrung 15 gegen die äußeren Umfangsflächen von auf der Oberfläche 10 aufliegenden Zuggliedern legt.
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Im Boden des Anschlusselements 4 sind, in Umfangsrichtung um die Gewindebohrung 15 verteilt, gemäß 4 drei Gewindebohrungen 16 mit größeren Durchmessern und drei Bohrungen mit kleineren Durchmessern angeordnet, die als einfache Durchgänge 17 ausgebildet sein können. Die Gewindebohrungen 16 und Durchgänge 17 wechseln sich in Umfangsrichtung des Bodens 5 zweckmäßig ab. Die Gewindebohrungen 16 dienen zur Aufnahme je eines Spannelements 18 für ein zugeordnetes Zugglied 2a, wobei dieses Spannelement 18 gleichzeitig als Mittel zur Befestigung des jeweiligen Zuggliedes 2a und zur einstellbaren Vorspannung dieses Zuggliedes 2a dient. Dagegen dienen die Durchgänge 16 zum Durchstecken eines anderen zugeordneten Zuggliedes 2b (3), das an einem Ende eine nachfolgend als Presskopf bezeichnete Verdickung 19 aufweist und am entgegengesetzten Ende ohne einen solchen Presskopf 19 ist, so dass es in 2 von der Unterseite des Bodens 5 her in das Anschlusselement 4 bzw. dessen Durchgänge 17 eingefädelt werden kann.
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Das Spannelement 18 ist im Ausführungsbeispiel als eine Spannhülse gestaltet, die einen den Innendurchmesser der Gewindebohrung 16 entsprechenden Außendurchmesser besitzt und daher axial verstellbar in die Gewindebohrung 16 eingedreht werden kann. In ihrem nicht näher dargestellten Innenteil weist das Spannelement 18 eine Anzahl von Kugeln auf, zwischen die das freie Ende des Zuggliedes 2a derart eingesteckt werden kann, dass das Zugglied 2a anschließend gegen Herausziehen in der entgegengesetzten Richtung festgehalten wird. Dadurch kann das betreffende Zugglied 2a durch immer tieferes, manuelles Einführen in das Spannelement 18 allmählich immer stärker gespannt werden. Zum Lösen der Vorspannung des Zuggliedes 2a weist das Spannelement 18 eine kleine, koaxial angeordnete und axial vorstehende Betätigungshülse 20 auf (3), die bei Ausübung eines Drucks von oben her auf die Kugeln einwirkt und das von diesen gehaltene Ende des Zuggliedes 2a freigibt.
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Im Übrigen wird jedes Zugglied 2a bei der Herstellung einer tensegren Struktur am einen Ende mit einem Spannelement 18 gemäß 3 gekoppelt, am entgegengesetzten Ende dagegen mit einem Presskopf 19 versehen, der einem Anschluss- und Vorspannknoten am Ende eines anderen Druckgliedes 1 zugeordnet ist. Umgekehrt wird jedes Zugglied 2b am einen Ende mit einem Presskopf 19 versehen und gemäß 3 derart in einem der Durchgänge 17 angeordnet, dass es den Boden 5 hintergreift und dadurch im Anschluss- und Vorspannknoten fixiert ist, während das entgegengesetzte Ende dieses Zuggliedes 2b mit einem Spannelement 18 gekoppelt wird, das dem Ende eines anderen Druckgliedes 1 zugeordnet ist (vgl. auch 1). Außerdem sind, wie 3 zeigt, in beiden Enden des Druckgliedes 1 vorzugsweise identische Anschluss- und Vorspannknoten 3 angeordnet.
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Der Zusammenbau einer tensegren Struktur mit Hilfe des beschriebenen Anschluss- und Vorspannknotens 3 erfolgt im Wesentlichen dadurch, dass ein mit wenigstens je einem Zugglied 2a und einem weiteren Zugglied 2b gekoppeltes Anschlusselement 4 mit oder ohne Umlenkring 7 in das offene Ende eines Druckgliedes 1 eingelegt wird. Im Anschluss daran werden die zugeordneten Zugglieder 2a in die Spannelemente 18 eingedrückt und dadurch grob vorgespannt. In einem zweiten Schritt werden dann bei Bedarf noch die Spannelemente 18 tiefer in die Gewindebohrungen 16 eingedreht, um eine Feineinstellung der Zugkräfte vorzunehmen. Dieser Vorgang kann z. B. mit einem geeigneten Werkzeug erfolgen.
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Abschließend wird der Sicherungskonus 11 in der aus 3 ersichtlichen Weise mit Hilfe der Befestigungsschraube 14 am Boden 5 des Anschlusselements 4 befestigt. Durch immer stärkeres Andrehen des Sicherungskonus 11 legt sich dessen äußere Kontur an die bereits verlegten Zugglieder 2a, 2b an und presst diese gegen die Oberfläche 10 des Umlenkrings 7. Dadurch wird eine redundante Sicherung für die Zugglieder 2a, 2b erhalten, da diese zum einen von den Spannelementen 18 bzw. Pressköpfen 19 am Boden 5 gehalten und zum anderen durch Klemmwirkung zwischen dem Umlenkring 7 und dem Sicherungskonus 11 fixiert sind. Etwaige Ausfälle eines Spannelements 18 oder eines Presskopfs 19 führen daher nicht unmittelbar zu einem Zusammenfallen der tensegren Struktur insgesamt, wie dies ohne die doppelte Sicherung der Fall wäre.
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Durch die gleichzeitige Anwendung der Spannelemente 18 und der Pressköpfe 19 in einem und demselben Anschluss- und Vorspannknoten 3 wird der Vorteil erzielt, dass die Anschlusselemente 4 mit kleineren Durchmessern versehen werden können, als wenn auch Anschluss- und Vorspannknoten 3 vorhanden wären, in denen nur eine Mehrzahl der Spannelemente 18 angeordnet ist, weil die Spannelemente 18 im Vergleich mit den Pressköpfen 9 (3 und 4) größere Außendurchmesser aufweisen. Das wiederum hat zur Folge, dass die Druckglieder 1 kleinere Außendurchmesser erhalten und daher auch sehr filigrane tensegre Strukturen hergestellt werden können. Im Ausführungsbeispiel der 2 bis 6 sind z. B. bei einem Außendurchmesser von 40 mm je drei Spannelemente 18 und Pressköpfe 19 vorhanden.
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7 bis 12 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anschluss- und Vorspannknotens 22, der sich von dem nach 1 bis 6 dadurch unterscheidet, dass er für besonders schlanke Druckglieder 1 mit Außendurchmessern von z. B. 30 mm geeignet ist.
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Gemäß 7 enthält der Anschluss- und Vorspannknoten 22 ein Anschlusselement 23, einen Umlenkring 24 und einen Sicherungskonus 25. Das Anschlusselement 23 gleicht dem Anschlusselement 4 nach 2 und 4 bis auf den Unterschied, dass es einen Boden 26 aufweist, der nur je zwei Gewindebohrungen 27 für je ein Vorspannelement 18 und zwei Durchgänge 28 zur Aufnahme je eines mit einem Presskopf 19 versehenen Endes eines Zuggliedes 2b hat (9). Wegen des geringen Durchmessers des Anschlusselements 23 liegen jedoch die beiden Gewindebohrungen 27 im Boden 26 einander so dicht diametral gegenüber, dass kein Platz mehr für die Anbringung der Gewindebohrung 15 verbleibt, die in 2 und 3 zur Aufnahme der Befestigungsschraube 14 des Sicherungskonus 11 dient. Zur Befestigung des Sicherungskonus 25 am Anschlusselement 23 dient daher gemäß 8 eine den Sicherungskonus 25 durchsetzende Befestigungsschraube 29 in Verbindung mit einer aus 7 und 11 ersichtlichen Mutter 30. Der Kopf der Befestigungsschraube 29 wird hier auf dem Sicherungskonus 25 abgestützt, wohingegen das Außengewindeteil der Befestigungsschraube 29 so in die Mutter 30 eingedreht wird, dass sich diese der Unterseite des Umlenkrings 24 anlegt. Die Mutter 30 ist im Übrigen so gestaltet, wie insbesondere 11 zeigt, dass sie sich zwischen die Zugglieder 2b (bzw. 2a) legt und deren Anlage am Umlenkring 24 nicht behindert. Auf diese Weise wird der Sicherungskonus 25 hier mit dem Umlenkring 24 anstatt mit dem Anschlusselement 23 zu einer Baueinheit verbunden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Boden 26 des Anschlusselements 23 keine zusätzliche Gewindebohrung zur Befestigung des Sicherungskonus 25 benötigt.
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Abgesehen von den angegebenen Unterschieden gleicht das Ausführungsbeispiel nach 7 bis 12 hinsichtlich seiner Montage, Funktion und Anwendung im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach 2 bis 6, weshalb weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt insbesondere für die genannten Durchmesser der Druckglieder 1, die außerdem auch aus nicht kreisrunden Rohren, sondern z. B. aus gegebenenfalls massiven, dreidimensionalen Bauteilen bestehen könnten. Möglich wäre ferner, die Druckglieder 1 als Stangen auszubilden und an ihren Enden mit bei Rohren automatisch vorhandenen Aufnahmeöffnungen zur weitgehend unsichtbaren Aufnahme der Anschluss- und Vorspannknoten zu versehen, da die hohle Ausführung der Mittelstücke der Druckglieder 1 (z. B. 3) für die Herstellung einer tensegren Struktur ersichtlich nicht benötigt werden. Weiter ist klar, dass die Zahlen für die Gewindebohrungen 16, 27 und Durchgänge 17, 28 nur Beispiele darstellen, die ohne weiteres verändert werden können. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0009974 A1 [0002, 0020]
- DE 29718375 U1 [0002]
- US 369611 [0003, 0020]
- DE 10204797 B4 [0005]
