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Die Erfindung betrifft ein Wand- oder Dachelement für eine bewegliche Gebäudestruktur, wie ein Dach und/oder eine Fassade, mit einer Rahmenstruktur und wenigstens einem in dem Rahmen gehaltenen, aufblasbaren Folienkissen, wobei der Rahmen und das wenigstens eine Folienkissen von einer Offenstellung in eine Schließstellung, in der eine Breite des Wand- oder Dachelements größer als in der Offenstellung ist, überführbar ausgestaltet sind.
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Aufblasbare Folienkissen sind bei Dachkonstruktionen in einigen wenigen Projekten realisiert. Die Folienkissen sind bei diesen Dachkonstruktionen Teil der Außenhaut des Gebäudes. Einige der Dachkonstruktionen mit aufgeblasenen Kissenkonstruktionen sind verfahrbar. So werden beispielsweise bei den Dachkonstruktionen des „Centro Integrado de Vista Alegre“ in Madrid, Spanien, der Gießhalle in Duisburg, Deutschland und des Freizeitbads Kelsterbach in Deutschland die Folienkissen im aufgeblasenen Zustand als Starrkörper verfahren. Die Folienkissen benötigen aufgrund ihres geringen Gewichts zwar nur wenig Energie, um verfahren zu werden. Nachteilig ist jedoch, dass für die aufgeblasenen Folienkissen erheblicher Stauraum vorgehalten werden muss.
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Bei zwei anderen Dachkonstruktionen, dem BC Place in Vancouver, Kanada, und dem Toyota Stadium in Japan, werden die Folienkissen zunächst entleert und dann zusammengefaltet, um das Dach zu verfahren. Die Membranhülle des Folienkissens kann so zwar leichter und platzsparender verstaut werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht unproblematisch, weil die Membranhülle beim Verstauen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist und insbesondere knickbeständig sein muss. Die Knickbeständigkeit ist bei luftdichten Beschichtungen aus PTFE oder ähnlichem nicht unproblematisch.
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die Wand- oder Dachelemente zum Aufbau einer Gebäudestruktur so zu verbessern, dass die Gebäudestruktur mit einem geringen Energieaufwand und gleichzeitig geringen mechanischen Belastungen des Folienkissens bewegt werden kann, ohne dass viel Stauraum benötigt wird.
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Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Wand- oder Dachelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druck im wenigstens einen Folienkissen in der Offenstellung größer als in der Schließstellung ist.
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Diese Lösung unterscheidet sich erheblich von den Dachkonstruktionen beispielsweise im BC Place und im Toyota Stadium, da zum Öffnen der Dachkonstruktion das Folienkissen nicht entleert, sondern im Gegenteil aufgepumpt wird. Das Aufpumpen geht mit einer geringeren mechanischen Belastung des Folienkissens und auch mit einem geringeren Energieeintrag als das vollständige Ablassen der Druckluft einher.
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Im Unterschied zu den Dachkonstruktionen im Centro Integrado, der Gießhalle und dem Freizeitbad Kelsterbach werden die Wand- oder Dachelemente nicht als Starrkörper verschoben, so dass ein geringerer Stauraum vorzuhalten ist. Die Wand- oder Dachelemente können bei der erfindungsgemäßen Lösung an Ort und Stelle verbleiben; sie ändern lediglich ihre Größe.
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Die Erfindung nutzt die Eigenschaft eines Folienkissens, sich unter erhöhtem Druck stärker aufzublähen und seine Querschnittsgeometrie zu verändern. Diese Veränderung der Querschnittsgeometrie erlaubt es, eine Gebäudestruktur mit einem erfindungsgemäßen Element zu Öffnen und zu Schließen. Das Wand- oder Dachelement ist gleichzeitig funktionales und gestalterisches Element einer Gebäudestruktur. Das erfindungsgemäße Wand- oder Dachelement kann im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch weitere, jeweils für sich vorteilhafte und voneinander unabhängige Ausgestaltungen, die im Folgenden kurz erläutert sind, weiter verbessert werden.
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So kann die Änderung der Querschnittsgeometrie des Folienkissens in Abhängigkeit von Druck durch Bereiche der Membranhülle mit unterschiedlicher Dehnbarkeit beeinflusst werden. Diese Bereiche können sich bei Beaufschlagung mit einem Druck unterschiedlich stark ausdehnen, so dass dem Folienkissen in Abhängigkeit von Druck eine vorbestimmte Querschnittsform gegeben werden kann. Die Bereiche unterschiedlicher Dehnbarkeit können durch den räumlichen Zuschnitt von anisotrop dehnbaren Materialbahnen, durch eine lokal unterschiedliche Ausgestaltung des Web- oder Wirkgefüges bei textilen Lagen der Membranhülle und/oder unterschiedliche Materialstärken, um nur einige zu nennen, erzeugt werden.
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Die vom konstruktiven Aufwand einfachste Ausgestaltung nutzt jedoch lediglich aus, dass in der Schließstellung das wenigstens eine Folienkissen aufgeblasen ist. Dies bedeutet, dass in der Offenstellung die beiden von der Membranhülle gebildeten Lagen des Folienkissens wenigstens stellenweise weiter voneinander beabstandet sind als in der Schließstellung. Der größere Abstand erzeugt die Breitenverringerung.
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So kann das wenigstens eine Folienkissen in der Schließstellung zumindest mittig einen in etwa linsenförmigen Querschnitt aufweisen. Der linsenförmige Querschnitt wird sich mit zunehmendem Druck aufblähen. In der Schließstellung ist der Querschnitt des Folienkissens dann bevorzugt zumindest in der Mitte des Elements wenigstens annähernd kreisförmig.
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Der Rahmen kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung passiv durch das wenigstens eine Folienkissen beweglich bzw. auslenkbar ausgestaltet sein. Die passive Beweglichkeit bzw. Auslenkbarkeit ermöglicht es, dass der Rahmen sich den Querschnittsänderungen des Folienkissens anpassen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Rahmen Gelenke aufweisen und/oder zumindest abschnittsweise elastisch auslenkbar sein. In der Offenstellung kann der Rahmen zumindest abschnittsweise gegenüber der Schließstellung elastisch ausgelenkt sein. Die elastische Auslenkbarkeit hat den Vorteil, dass in der ausgelenkten Stellung automatisch eine Rückstellkraft erzeugt wird, die dem erhöhten Druck im Folienkissen entgegenwirkt und bei einer Druckverringerung das Folienkissen automatisch in die Schließstellung überführt.
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Ist der Rahmen mit Gelenken versehen, so kann er in der Offenstellung gegenüber der Schließstellung an den Gelenken ausgelenkt sein. Die Gelenke können mit Federkraft beaufschlagt sein, so dass in der Offenstellung eine Rückstellkraft wie bei einer elastischen Auslenkung des Rahmens erzeugt wird. Die Gelenke können an Ecken des Rahmens und/oder inmitten der Seiten des Rahmens angeordnet sein. Die Gelenke an den Ecken können ein Verschwenken der an ein Gelenk anstoßenden Rahmenteile zueinander in zwei Ebenen erlauben, wenn sich der Rahmen verwinden darf. Gelenke inmitten einer Rahmenseite können dagegen nur einen Freiheitsgrad aufweisen, um die Auslenkung des Rahmens auf eine Ebene zu beschränken.
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Elastisch auslenkbare Rahmenelemente haben gegenüber Gelenken den Vorteil, dass sie mechanisch weniger anfällig und aufwändig als Gelenke sind und die notwendige Rückstellkraft durch die elastische Verformung in sich tragen.
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In der Offenstellung kann der Rahmen in einer Ausgestaltung in der Ebene der Schließstellung liegen. Der Rahmen verformt sich bei dieser Ausgestaltung also eben. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Rahmen in der Offenstellung aus der Ebene der Schließstellung herausgedreht sein.
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Die Bewegung zurück von der Offen- in die Schließstellung im Zuge der Verringerung des Drucks im Folienkissen kann von der biegeschlaffen Membranhülle nicht oder nur schwer bewerkstelligt werden. Als Antrieb für die Rückbewegung können folglich elastische Elemente vorgesehen sein, die in der Offenstellung ausgelenkt sind und eine Rückstellkraft erzeugen.
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Dies kann durch elastische Rahmenteile erfolgen, die durch die Bewegung des Wand- oder Dachelements von der Schließ- in die Offenstellung verformt werden.
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Das Folienkissen kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine Mehrzahl von Teilkissen aufweisen und somit mehrlagig ausgestaltet sein. Die Teilkissen eines mehrlagigen Folienkissens verbessern die Wärmedämmung der Gebäudestruktur. Jedes der Teilkissen ist bevorzugt für sich gasdicht und gasversorgt. Aneinandergrenzende Teilkissen können eine Membranhülle miteinander teilen, so dass das Wand- oder Dachelement leichter wird.
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Die Teilkissen können gemeinsam oder bevorzugt jeweils für sich in eine Offen- und Schließstellung überführbar ausgestaltet sein, wobei in der Offenstellung jeweils ein höherer Druck in den Teilkissen herrscht als in der Schließstellung.
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Für die Querschnittsänderung der Teilkissen gilt bevorzugt dasselbe wie für das aus den Teilkissen aufgebaute Folienkissen. Die einzelnen Teilkissen können beispielsweise in der Offenstellung einen kreisförmigen Querschnitt und/oder in der Schließstellung einen linsenförmigen Querschnitt aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich aufgrund der geometrischen Anordnung der Teilkissen in der Offenstellung eine größere Breitenverringerung des Wand- oder Dachelements ergibt als bei einem Folienkissen ohne Teilkissen. Die Breitenverringerung kann insbesondere durch die Anzahl der Teilkissen erhöht werden.
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So lässt sich durch den Übergang von der Schließ- in die Offenstellung eine größere Verringerung der Breite des Folienkissens erreichen, wenn wenigstens einzelne Teilkissen zu wenigstens einem Ring miteinander verbunden sind. Die Einhüllende der ringförmigen Anordnung von Teilkissen kann in der Schließstellung einen linsenförmigen Querschnitt und/oder in der Offenstellung insgesamt einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Ring aus einzelnen Teilkissen weist bis auf eine erhöhte Breitenverringerung und verbesserte Wärmedämmung im übrigen dieselben Eigenschaften wie ein einfaches Folienkissen auf.
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Das Folienkissen kann aus Teilkissen bzw. Ringen aus Teilkissen auch selbstähnlich aufgebaut sein, indem sich ein Ring aus mehreren Ringen zusammensetzt. Mit der Anzahl der Ringe erhöht sich die Breitenverringerung beim Übergang von der Schließ- in die Offenstellung und die Wärmedämmung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können mehrere Teilkissen, insbesondere in der oben beschriebenen ringförmigen Anordnung, ein zentrales, bevorzugt aufblasbares Teilkissen umgeben. Die Druckerhöhung im zentralen Teilkissen stellt sicher, dass die das zentrale Teilkissen umgebenden Teilkissen unter einer verstärkten Breitenverringerung voneinander weg gedrückt werden.
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Die Teilkissen können nicht nur, wie oben beschrieben, eine bestimmte Anordnung im Querschnitt quer zu der vom Rahmen aufgespannten Ebene aufweisen, sie können bei einem Wand- oder Dachelement innerhalb des Rahmens auch zu einem flächigen Feld, also in der Rahmenebene nebeneinander angeordnet sein.
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Vorteilhaft weist das Wand- oder Dachelement eine langgestreckte Grundfläche auf, um große Längen in der Gebäudestruktur überbrücken zu können. Die Grundfläche kann dabei rechteckig, rautenförmig und/oder linsenförmig sein, sie kann konkave und konvexe Abschnitte aufweisen und/oder eine Kombination einzelner Merkmale dieser Grundflächenformen aufweisen.
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In der Offenstellung findet die Breitenverringerung bevorzugt in Richtung einer Haupt- und/oder Symmetrieachse statt, so dass das Wand- oder Dachelement einfach in gängige Gebäudeästhetiken eingebunden werden kann. Bevorzugt findet die Verkürzung in Richtung der Schmalseite der Grundfläche bzw. quer zu einer Längserstreckung der Grundfläche statt. In Richtung der Längserstreckung muss das Wand- oder Dachelement die Überspannung des Gebäudes sicherstellen, so dass die Verschieblichkeit bevorzugt quer zu dieser Richtung erfolgt.
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In Breitenrichtung ist die Verkürzung beim Übergang von der Schließ- in die Offenstellung um wenigstens einen Faktor 10, bevorzugt um wenigstens einen Faktor 100 größer als in Richtung quer dazu.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich nicht nur ein einzelnes Wand- oder Dachelement, sondern auch eine Gebäudestruktur, die derartige Wand- oder Dachelemente aufweist. Die Folienkissen sind bevorzugt flächig nebeneinander angeordnet und über ihre Rahmen miteinander verbunden oder miteinander verbindbar. Benachbarte Folienkissen können sich Abschnitte eines gemeinsamen Rahmens teilen.
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Die Wand- oder Dachelemente bzw. ihre Folienkissen sind in einer solchen Gebäudestruktur bevorzugt versetzt zueinander angeordnet, was zu einer erhöhten kumulativen Breitenveränderung in der Offenstellung der gesamten Gebäudestruktur führt.
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Um Gewicht zu sparen, kann sich ein Rahmenteil über mehrere in der Gebäudestruktur aufeinanderfolgend angeordnete Wand- oder Dachelemente erstrecken.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Öffnen und Schließen einer beweglichen Gebäudestruktur mit wenigstens einem in einem Rahmen gehaltenen, aufblasbaren Folienkissen, wobei zum Öffnen ein Druck im Folienkissen erhöht wird. Wie oben beschrieben, kann durch den Druck im Folienkissen der Rahmen ausgelenkt werden.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von unterschiedlichen Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die bei den unterschiedlichen Ausführungen unterschiedlichen Merkmale können nach Maßgabe der obigen Ausführungen beliebig miteinander kombiniert werden, wenn es auf den mit dem hinzugefügten Merkmal verbundenen Vorteil ankommt.
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Bei den Zeichnungen sind für Elemente, die sich hinsichtlich Funktion und/oder Ausgestaltung ähneln, der Einfachheit halber stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigen:
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1 eine schematische, perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements für Gebäudestrukturen in einer Schließstellung;
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2 eine schematische, perspektivische Darstellung des Wand- oder Dachelements der 1 in einer Offenstellung;
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3A–3D schematische Querschnittsansichten verschiedener Ausgestaltungen von Folienkissen in der Schließstellung;
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4A–4C schematische, perspektivische Schnittdarstellungen von Ausschnitten verschiedener Ausgestaltungen des Wand- oder Dachelements in der Offenstellung;
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5A eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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5B eine schematische Perspektivdarstellung des Wand- oder Dachelements der 5A in der Offenstellung;
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6A eine schematische Perspektivdarstellung einer Anordnung von Wand- oder Dachelementen gemäß 5A in der Schließstellung;
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6B eine schematische Perspektivdarstellung der Anordnung der 6A in der Offenstellung;
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7A eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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7B eine schematische Perspektivdarstellung des Wand- oder Dachelements der 7A in der Offenstellung;
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8A eine schematische Perspektivdarstellung einer Anordnung von Wand- oder Dachelementen gemäß 7A in der Schließstellung;
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8B eine schematische Perspektivdarstellung der Anordnung der 8A in der Offenstellung;
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9A eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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9B eine schematische Perspektivdarstellung des Wand- oder Dachelements der 9A in der Offenstellung;
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10A eine schematische Perspektivdarstellung einer Anordnung von weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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10B eine schematische Perspektivdarstellung der Anordnung der 10A in der Offenstellung;
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10C eine schematische Perspektivdarstellung einer Anordnung von weiteren Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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10D eine schematische Perspektivdarstellung der Anordnung der 10C in der Offenstellung;
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11A eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements in der Schließstellung;
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11B eine schematische Perspektivdarstellung des Wand- oder Dachelements der 11A in der Offenstellung;
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12A eine schematische Perspektivdarstellung einer Anordnung von Wand- oder Dachelementen gemäß 11A in der Schließstellung;
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12B eine schematische Perspektivdarstellung der Anordnung der 12A in der Offenstellung.
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Zunächst werden anhand der 1 und 2 Aufbau und Funktion eines erfindungsgemäßen Wand- oder Dachelements 1 für eine bewegliche Gebäudestruktur beschrieben.
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Das Wand- oder Dachelement 1 weist ein aufblasbares Folienkissen 2 auf, das in 1 in einer Schließstellung 3 und in 2 in einer Offenstellung 4 gezeigt ist. Das Folienkissen 2 ist an wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten 5 mit einem Rahmen 6 versehen. Der Rahmen kann Stäbe, Leisten oder andere Gerüstelemente aufweisen. Auch an den Rändern 5 miteinander verschweißte Lagen 7, 8 der das Folienkissen bildenden Membranhülle 9, die durch zusätzliche, nicht gezeigte Lagen verstärkt sein können, oder Keder können den Rahmen oder Teil des Rahmens 6 bilden. Ferner kann der Rahmen 6 von einem Tragwerk einer Gebäudestruktur (nicht gezeigt) gebildet sein.
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In der Schließstellung 3 weist das Folienkissen 2 einen bevorzugt langgestreckten Querschnitt auf. Die Luft im Innenraum 11 des Folienkissens 2 steht unter einem Druck, der größer als der Druck in der Umgebung 12 des Folienkissens ist. Das Folienkissen 2 ist in der Schließstellung wenigstens zum Teil aufgeblasen. Die Lagen 7, 8 sind voneinander beabstandet. Der Abstand ist in einer Mitte 13 des Folienkissens am größten.
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Durch eine Erhöhung des Druckes im Innenraum 11 wird das Folienkissen 2 weiter aufgebläht, wie 2 zeigt. Aufgrund des höheren Druckes sind die Lagen 7, 8 in der Offenstellung 4 weiter auseinandergedrückt als in der Schließstellung 3.
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Durch das Aufblähen des Folienkissens 2 verringert sich eine Breite 14a des Folienkissens 2 in der Schließstellung 3 auf einen Wert 14b. Die Breitenverringerung 15, also die Differenz zwischen den Breiten 14a und 14b kann in der dargestellten Konfiguration bis zu 36% der Breite 14a in der Schließstellung betragen.
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Die Breitenverringerung 15 kann dazu verwendet werden, die Gebäudestruktur in einer Richtung 16 der Breitenverringerung 15 zu verkürzen bzw. zu verfahren. In der Schließstellung 3 ist die vom Folienkissen 2 abgedeckte Grundfläche 17 aufgrund der Breitenverringerung 15 größer als in der Offenstellung 4. Bildet das Wand- oder Dachelement 1 Teil einer Gebäudestruktur, so ist diese in der Offenstellung 4 geöffnet, so dass Frischluft und/oder Sonnenlicht in das Gebäude gelangen kann.
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Das Wand- oder Dachelement 1 dient also sowohl als funktionaler und gestalterischer Teil der Gebäudestruktur als auch als Antrieb für die Gebäudestruktur. Die Bewegung der Gebäudestruktur wird einfach durch Erhöhung des Druckes im Innenraum 11, also durch Aufblasen des Folienkissens 2 angetrieben.
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Die genaue Querschnittsform des Folienkissens 2 in der Offenstellung 4 und der Schließstellung 3 hängen vom Zuschnitt der Membranhülle 9 und/oder Bereichen und/oder Richtungen unterschiedlicher Dehnbarkeit ab. Geht man idealisiert von einem Folienkissen 2 mit in einer Längsrichtung 18 unendlicher Länge und einer undehnbaren, isotropen Membranhülle 9 aus, so ergibt sich in der Schließstellung ein linsenförmiger und in der Offenstellung ein kreisförmiger Querschnitt 10. Bei einem endlich langen Folienkissen 2 wird zu den in Längsrichtung 18 gelegenen Enden hin der Querschnitt sowohl in der Offen- als auch in der Schließstellung zunehmend flacher. In diesem Bereich ist die Membranhülle 9 meist dreidimensional gekrümmt und meist leicht gedehnt.
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Das Folienkissen 2 des Wand- oder Dachelements 1 kann im Querschnitt 10 unterschiedlich aufgebaut sein, wie die 3A bis 3D schematisch zeigen.
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In der 3A ist ein einfaches einzelliges bzw. zweilagiges Folienkissen 2 in der Schließstellung 3 dargestellt. Das Folienkissen weist eine einzige aufblasbare Kammer auf. Bei einer Gebäudestruktur wird eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit bzw. eine möglichst hohe Wärmedämmung angestrebt. Gegenüber dem einfachen Folienkissen der 1, 2 und 3A kann die Wärmedämmung durch ein mehrlagiges Folienkissen erhöht werden. Diese Mehrlagigkeit kann im Hinblick auf die Beweglichkeit der Gebäudestruktur ausgenutzt werden, um eine gegenüber dem einfachen Folienkissen 2 der 3A erhöhte Breitenverringerung 15 zu erzielen.
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Die 3B bis 3D zeigen Ausgestaltungen von Folienkissen 2 mit erhöhter Wärmedämmung und gleichzeitig vergrößerter Breitenverringerung 15 im Vergleich zum einfachen Folienkissen der 3A. Hierzu kann das Folienkissen 2 eine Mehrzahl von Teilkissen 19 aufweisen. Die Folienkissen der 3B bis 3D sind mehrlagig und mehrzellig.
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Die Breitenverringerung 15 fällt besonders groß aus, wenn die Teilkissen 19 ein zentrales Teilkissen 20 umgeben. Das zentrale Teilkissen 20 kann aufblasbar ausgestaltet sein.
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Die Teilkissen 19 können insbesondere zu einem Ring 21 zusammengeschlossen sein. Der Ring 21 kann selbst wiederum aus mehreren kleineren, von Teilkissen 19 gebildeten Ringen 22 zusammengesetzt sein. Jeder kleine Ring 22 kann auch wieder aus einem Ring aus Teilkissen 19 aufgebaut sein.
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Zu den Ausgestaltungen der 3B bis 3D im Einzelnen.
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3B zeigt einen vierlagigen und vierzelligen Aufbau eines Folienkissens 2 in der Schließstellung 3. Die Teilkissen 19 sind in Reihen angeordnet.
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Die reihenförmige Anordnung der Teilkissen 19 ist bei der Variante der 3C zu einem vierlagigen, sechszelligen Aufbau erweitert. In der Mitte 13 des Folienkissens 2 liegen sich noch einmal zwei Teilkissen 19 gegenüber. Damit in der Offenstellung (nicht gezeigt) diese beiden Teilkissen weiter voneinander weggedrückt werden und die Breitenverringerung 15 größer wird, empfiehlt es sich, das zentrale Teilkissen 20 ebenfalls aufblasbar auszugestalten.
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Die 3D zeigt eine achtlagige, sechszehnkammerige Variante, bei der sich eine besonders große Breitenverringerungen 15 ergibt, auch wenn die zentralen Teilkissen 20 nicht aufblasbar sind. Die Teilkissen 19 sind hier parallel angeordnet. Der Aufbau der 3D ergibt sich in selbstähnlicher Weise, selbst wenn jedes einzelne Teilkissen 19 der Ausgestaltung der 3B durch eine dem gesamten Folienkissen 2 der 3B entsprechende Anordnung von Teilkissen 19 ersetzt wird.
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Mit der in 3B gezeigten Ausgestaltung lässt sich eine Breitenverringerung von maximal 55% erzielen. Die Hinzufügung weiterer Teilkissen in Reihe in den Ring 21 zu der Ausgestaltung der 3B, wie sie die Ausgestaltung der 3C zeigt, führt nicht zu einer deutlich erhöhten Breitenverringerung 15.
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Die parallele Anordnung der Teilkissen 19, bei der der Ring 20 mehrere hintereinander angeordnete Ringe 21, die selbst wiederum aus Teilkissen 19 oder weiteren Ringen 22 aufgebaut sein können, aufweist, führt zu einer höheren Breitenverringerung 15 in der Offenstellung. So liegt die Breitenverringerung der Ausgestaltung der 3D bei ca. 62%. Wird jedes Teilkissen 19 in der 3D nochmals durch einen Ring aus Teilkissen 19 ersetzt, ergibt sich eine maximale Breitenverringerung von etwa 65%. Theoretisch ist bei einem parallelen und selbstähnlichen Aufbau, bei dem sich der Aufbau der Gesamtstruktur in ihren Komponenten wiederfindet, eine maximale Breitenverringerung 15 von 68% in der Schließstellung möglich.
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In den 4A bis 4C sind schematische Querschnitte 10 unterschiedlicher Ausgestaltungen des Wand- oder Dachelements 1 in der Offenstellung 4 gezeigt. Teilen sich zwei benachbarte Teilkissen 19 eine Membranhülle 9 oder stoßen die Membranhüllen 9 zweier benachbarter Teilkissen 19 aneinander, und stehen die benachbarten Teilkissen 19 unter dem selben Druck, so richtet sich Membranhülle 9 zwischen diesen Teilkissen 19 etwa geradlinig aus, wie 4A zeigt.
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4A zeigt ein Folienkissen mit dem in 3B dargestellten Aufbau in der Offenstellung 4. Weist eine Einhüllende 23 des Folienkissens 2 mit den Teilkissen 19 in der Schließstellung der 3B noch, wie das einfache Folienkissen der 3A, einen langgestreckten, etwa linsenförmigen Querschnitt auf, ist dieser in der Offenstellung bei aufgeblasenem Teilkissen 19 und nicht aufgeblasenem Teilkissen 20 in etwa kreisförmig. Im aufgeblasenen Zustand drücken sich die Teilkammern 19 voneinander weg und führen zu einer Breitenverringerung 15 von mehr als der Hälfte der Breite in der Schließstellung.
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Befinden sich zwischen den gegenüberliegenden Seiten 5 des Rahmens 6 noch mehr in Reihe und in Form eines Ringes 21 angeordnete Teilkissen 19, so wird in der Offenstellung 4 wieder von der Einhüllenden 23 der Außenflächen der einzelnen Teilkammern 19 ein kreisförmiger Querschnitt 10 eingenommen. Die Kreisform lässt sich stabilisieren, wenn zusätzlich das zentrale Teilkissen 20 aufgeblasen wird. Ohne aufgeblasenes zentrales Teilkissen 20 würden in der Mitte 13 die sich gegenüberliegenden Teilkissen 19 nicht stabil auseinandergedrückt werden. Beispielsweise Windkräfte könnten die Kreisform stark verändern.
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4B zeigt beispielhaft ein sechszehnzelliges, vierlagiges Folienelement 2 in der Offenstellung.
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Demgegenüber zeigt die 4C das ebenfalls sechszehnzellige, aber achtlagige Folienkissen 2 in der Ausgestaltung der 3D, also mit parallel angeordneten Teilkissen 19, in der Offenstellung. Da die Teilkissen 19 bei dieser Ausgestaltung sich stärker aneinander abstützen als bei der Reihenschaltung beispielsweise der 4B, ist die Offenstellung stabiler. Es wird zudem eine größere Breitenverringerung erreicht.
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In 4C ist auch zu erkennen, dass das Folienkissen auch hier eine Einhüllende 23 in Ringform aufweist. Die Teilkammern 19 sind um eine große zentrale Teilkammer 20 ringförmig (Ring 21 der 3D) angeordnet. Jeweils vier Teilkissen 19 sind dann zu einem kleinen Ring 22 mit einer kleinen Teilkammer 20 zusammengefasst.
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Im Folgenden sind unterschiedliche Ausgestaltungen insbesondere des Rahmens des Folienkissens 2 gezeigt. Das Folienkissen 2 kann, obwohl es nur in der einfachen Ausgestaltung der 3A dargestellt ist, auch aus mehreren Teilkissen 19 bestehen, wie exemplarisch in den 3B bis 3D und 4A bis 4C gezeigt ist.
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5A zeigt ein Wand- oder Dachelement 1 mit einem umlaufenden Rahmen 6. Das Wand- oder Dachelement 1 weist eine langgestreckte, rechteckige Grundfläche 17 mit zwei sich gegenüberliegenden Längsseiten 24 und zwei sich gegenüberliegenden Schmalseiten 25 auf.
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Bei der Ausgestaltung der 5A weist der Rahmen 6 an seinen Ecken 6’ Gelenke 26 auf, die Rahmenteile 27 miteinander verbinden. Zwischen den Gelenken 26 ist der Rahmen 6 bei dieser Ausgestaltung bevorzugt starr.
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Die Gelenke 26 erlauben Schwenkbewegungen der angrenzenden Rahmenelemente 27 relativ zueinander in zwei senkrecht zu der vom Rahmen 6 aufgespannten Ebenen 28.
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Wird bei einem solchermaßen ausgestalteten Rahmen 6 das Folienkissen 2 ausgehend von der Schließstellung 3 weiter aufgeblasen, so wird der Rahmen 6 passiv verformt und nimmt selbsttätig in der Offenstellung 4 die in 5B gezeigte, verwundene Stellung ein, in der die Rahmenelemente 27 der Schmalseiten 25 um einen Winkel 29 und die Rahmenelemente 27 an den Längsseiten 24 um einen Winkel 30 aus der Ebene 28 gekippt sind. Die Fixpunkte 31 der Schwenkbewegung der schmal- und längsseitigen Rahmenteile 27 liegt dabei jeweils in Rahmenmitte. An diesen Fixpunkten 31 kann das Wand- oder Dachelement 1 an einer bevorzugt beweglichen Trägerkonstruktion der Gebäudestruktur (nicht dargestellt) befestigt werden.
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Aus der Verwindung des Rahmens 6 ergibt sich für die Membranhülle 9 in der Offenstellung 4 eine nur minimale Verformung bei gleichzeitiger großer Breitenverringerung 15. Die Breitenverringerung 15 in Richtung quer zu den Längsseiten 24 ist um eine, vorzugsweise zwei Größenordnungen größer als eine mit dem Aufblasvorgang einhergehende Längenänderung 32, hier eine Verkürzung.
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Die Gelenke 26 können Federelemente (nicht dargestellt) aufweisen, die in der Schließstellung ausgelenkt sind und eine Rückstellkraft erzeugen, die von der Schließstellung 3 in die Offenstellung 4 gerichtet ist. Fällt bei einem solchermaßen in der Offenstellung federgespannten Rahmen der erhöhte Druck im Inneren des Folienkissens 2 weg, wird die Schließstellung 3 automatisch eingenommen.
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Durch eine flächige Anordnung mehrerer Wand- oder Dachelemente 1 in deren Ebene 28 in der Schließstellung 3 nebeneinander lässt sich eine verfahrbare Gebäudestruktur 35 zusammenstellen, wie später mit Bezug auf die 6A und 6B erläutert ist.
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In der Schließstellung 3 sind die Wand- oder Dachelemente 1 koplanar angeordnet. Zumindest in der Mitte 13 ist der Querschnitt der einzelnen Folienkissen 2 linsenförmig.
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Durch Aufblasen der Folienkissen 2 stellt sich bei jedem einzelnen Wand- oder Dachelement 1 die Schließstellung gemäß 5B ein. Der Rahmen 6 ist verwunden und der Querschnitt des Folienkissens 2 zumindest in der Mitte 13 etwa kreisförmig. Sind die Gelenke 26 so ausgestaltet, dass sie ein Verschwenken der Rahmenteile 27 relativ zueinander aus der Schließstellung 3 heraus in die Offenstellung 4 nur in einer Richtung erlauben, so nimmt jedes der Wand- oder Dachelemente 1 in der Schließstellung 3 eine vorbestimmte Orientierung ein. Eine solche Richtungsvorgabe kann durch beispielsweise Anschläge (nicht gezeigt) in den Gelenken 26, die eine Bewegung von der Offenstellung 4 in die Schließstellung 3 über die Schließstellung 3 hinaus nicht gestatten, sichergestellt sein.
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Durch eine abwechselnde Verwindungsrichtung benachbarter Wand- oder Dachelemente 1 in der Offenstellung 4 nimmt die Gebäudestruktur 35 die in 6B gezeigte Stellung ein. In der Offenstellung 4 sind die Rahmenteile 27 aufeinanderfolgender Wand- oder Dachelemente 1 an der Schmalseite 25 jeweils in entgegengesetzte Richtungen verschwenkt, so dass sich am Rand der Gebäudestruktur eine Ziehharmonikaform einstellt. Die Ziehharmonikaformen der beiden sich gegenüberliegenden Ränder sind zueinander versetzt. Durch gleichzeitiges, teilweises Aufblasen der Wand- oder Dachelemente 1 und/oder sukzessives vollständiges Aufblasen einzelner Wand- oder Dachelemente 1 lässt sich die Gebäudestruktur 35 stufenlos öffnen.
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Bei den folgenden Ausgestaltungen bewegt sich der Rahmen 6 nur innerhalb der von ihm aufgespannten Ebene 28 von der Offen- in die Schließstellung und zurück.
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7A zeigt ein Wand- oder Dachelement 1 mit einer etwa rautenförmigen Grundfläche 17. An den Ecken 6’ der Raute sind Gelenke 26 angeordnet. Die Gelenke 26 erlauben ein Verschwenken der angrenzenden Rahmenteile 27 bevorzugt nur in der Ebene 28. Die Rahmenteile 27 sind auch bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise starr.
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Wird bei der Ausgestaltung der 7A das Folienkissen 2 aus der dargestellten Schließstellung 3 heraus aufgeblasen, so werden quer zur Längsrichtung 17 die beiden gegenüberliegenden Ecken 6’ am stumpfen Winkel der Raute aufeinander zu gezogen. Dies führt zu einer Breitenverkürzung 15 (7B). Gleichzeitig längt sich das Wand- oder Dachelement 1 etwa um einen Betrag 32, der auch hier um einen Faktor von wenigstens 10, vorzugsweise 100, kleiner ist als die Breitenverkürzung 15.
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Auch die Wand- oder Dachelemente 1 in der Ausgestaltung der 7A, 7B können flächig in der Ebene 28 nebeneinander angeordnet sein, um eine Gebäudestruktur 35 zu bilden, wie die 8A und 8B zeigen. Die Breitenverringerung 15 der gesamten Gebäudestruktur 35 ergibt sich aus der Breitenverringerung 15 der einzelnen Wand- oder Dachelemente 1. Die Fixpunkte 31 (7A, 7B) können dazu genutzt werden, weit voneinander weg liegende Wand- oder Dachelemente 1 untereinander zu verbinden.
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Die Gelenke 26 können als Lager, beispielsweise Gleit- oder Kugellager, aber auch als elastisch verformbare Materialbrücken ausgestaltet sein. Dies ist anhand der 9A und 9B erläutert, in denen eine Abwandlung der Ausgestaltung der Rautenform der 7A und 7B dargestellt ist.
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Das Wand- oder Dachelement 1 der 9A weist ebenfalls einen im Wesentlichen rautenförmigen Grundriss auf. An den spitzwinkligen Ecken 6’ jedoch ist das Gelenk 26 durch einen elastisch verformbaren Rahmenabschnitt 36 gebildet. Die Verformbarkeit des Rahmenbereichs 36 kann sich aufgrund einer starken Umlenkung um den spitzen Winkel gegenüber den geradlinigen Bereichen 37 des Rahmens 6 ergeben. Weitere Möglichkeiten, einen elastisch verformbaren Rahmenbereich 36 zu schaffen, bestehen in der Materialauswahl, in der Formgebung und in der Materialstärke. In der in 9B dargestellten Schließstellung ist der Rahmen 6 im Bereich der Stellen 36 elastisch verformt und an den Gelenken 26 in der Ebene 28 ausgelenkt. Die an die Gelenke 26 angrenzenden Abschnitte der Rahmenteile 27 können, wie auch bei den vorangegangenen Ausgestaltungen, starr sein. Im Übrigen entsprechen Aufbau und Funktion der Ausgestaltung der 9A und 9B der Ausgestaltung der 7A und 7B.
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Basierend auf einer langgestreckten, nahezu rautenförmigen Grundfläche 17 lassen sich weitere Ausgestaltungen des Wand- oder Dachelements 1 ableiten, bei denen anstelle der Gelenke 26 an den Längsseiten 24 jeweils ein elastisch biegsames Rahmenteil 27 vorgesehen ist, das sich zu den beiden in Längsrichtung 17 gelegenen Ecken 6’ erstreckt. An den Ecken können wieder Gelenke in Form von Lagern oder eine elastisch auslenkbare Materialbrücke vorliegen.
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Die Ausgestaltung erlaubt es auch, die beiden Rahmenteile 27 an den Ecken 6’ fest untereinander zu verbinden. 10A zeigt schematisch eine Gebäudestruktur 35 aus Wand- oder Dachelementen 1 mit einer in Schließstellung 3 linsenförmigen Grundfläche 17. Durch Aufblasen der Folienkissen 2 in der Schließstellung 3 (10B) werden die gegenüberliegenden Längsseiten 24 unter elastischer Auslenkung der gebogenen Rahmenteile 27 aufeinander zu gezogen. Es entsteht eine bewegliche, sich öffnende und schließende Gebäudestruktur 35.
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Falls zwischen den einzelnen Wand- oder Dachelementen 1 bei gebogenen und insbesondere durchgängigen Rahmenteilen 27 eine lückenlose Gebäudestruktur 35 gewünscht ist, können die Rahmenelemente 27 an den Längsseiten 24 komplementäre Konturen aufweisen, so dass sich eine Parkettierung der Gebäudestruktur 35 ergibt. Die Rahmenteile 27 an den Längsseiten 24 der Ausgestaltung der 10C sind hierzu jeweils komplementär konvex-konkav gekrümmt. An den in Längsrichtung 17 gelegenen Ecken liegen die Rahmenteile 27 tangential aneinander. Durch diese Ausgestaltung können die Rahmenteile 27 an den Ecken 36 vollflächig miteinander verbunden werden. Bei einer Holzrahmenstruktur kann dies beispielsweise durch eine Verleimung, bei einer Metallrahmenstruktur auch durch Verschrauben oder Vernieten erfolgen.
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Auch bei der Gebäudestruktur 35 der 10C ergibt sich eine Breitenverringerung in der Schließstellung 3 wie 10D erkennen lässt.
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Die Ausgestaltungen der 10A bis 10D haben den Vorteil, dass bei jedem Wand- oder Dachelement 1 lediglich zwei durchgängige Rahmenelemente 27 notwendig sind. Da sich diese Rahmenteile zudem elastisch verformen müssen, sind sehr leichte Gebäudestrukturkonstruktionen möglich. Bei der Ausgestaltung der 10C und 10D kann sich ein Rahmenteil 27 sogar über mehrere Wand- oder Dachelemente 1 hinweg durchgängig erstrecken.
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Auch bei einem Rahmen 6 mit einer rechteckigen Grundfläche 17 ist eine Verformung in der vom Rahmen 6 aufgespannten Ebene 28 möglich, wie 11A und 11B zeigen. Hierzu begrenzen die Gelenke 26 die Relativbewegung aneinandergrenzender Rahmenteile 27 auf Schwenkbewegungen in dieser Ebene.
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Beim Aufblähen des Folienkissens 2 in der Schließstellung 3 werden bei einer solchen Ausgestaltung die Rahmenteile 27 an den sich gegenüberliegenden Längsseiten aufeinander zu gezogen.
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Sind die Rahmenteile 27 starr, sollten sie in der Mitte der Längsseiten 24 durch ein Gelenk 26 verbunden sein, das eine Schwenkbewegung nur in der Ebene 28 zulässt. Alternativ kann auch zwischen den Ecken 6’ ein sich durchgängig erstreckendes Rahmenteil 27 vorhanden sein, das sich beim Aufblähen des Luftkissens in der Schließstellung verbiegt.
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Wie die in der 11B dargestellte Schließstellung zeigt, unterscheidet sich diese Ausgestaltung von den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen dadurch, dass die Breite 14a der Schmalseiten 25 in der Schließstellung 3 gegenüber der Offenstellung 4 unverändert bleibt. In der Mitte der Längsseiten 24 ergibt sich jedoch eine Breitenverringerung 15.
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Um die mechanischen Belastungen der Membranhülle 9 des Folienkissens 2 gering zu halten, ist es von Vorteil, wenn in der Schließstellung 3 die Breite des Folienkissens 2 in der Mitte der Längsseiten 24 größer ist als an den Schmalseiten 27, die Längsseiten 24 also vom Folienkissen 2 aus betrachtet leicht konkav verlaufen.
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Die 12A und 12B zeigen eine Gebäudestruktur 35 aus den in 11A und 11B dargestellten Wand- oder Dachelementen in der Schließstellung 3 (12A) und in der Offenstellung 4 (12B).
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Die einzelnen Wand- oder Dachelemente 1 sind nebeneinander in der Ebene 28 angeordnet. In Längsrichtung 18 sind die Wand- oder Dachelemente 1 in Reihen 38 fluchtend nebeneinander angebracht. Quer zur Längsrichtung 18 sind die Wand- oder Dachelemente 1 versetzt zueinander angeordnet, so dass ein Rahmenteil 27 an der Schmalseite 25 eines Wand- oder Dachelements in der Mitte der Längsseite 24 eines Wand- oder Dachelements einer benachbarten Reihe 38 zu liegen kommt. Auf diese Weise wird jeweils die benachbarte Reihe 38 durch die Einschnürung in der Mitte der Längsseiten 24 der Außenhauteleente einer benachbarten Reihe 38 bewegt.
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Da sich die Breite 14a der Schmalseiten 25 nicht ändert, können diese als Fixpunkte für ein Traggerüst 39 dienen. Das Traggerüst 39 kann aus Trägern bestehen, die sich in Längsrichtung 18 der einzelnen Wand- oder Dachelemente 1 erstrecken und diese in der Ebene 28 halten. Das Traggerüst 39 bewegt sich mit der Gebäudestruktur 35 mit.
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Bei den Ausgestaltungen der 7 bis 10 kann das Traggerüst 39 an den in Längsrichtung 17 gelegenen Ecken oder den anderen Fixpunkten 31 befestigt werden.
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In einer Gebäudestruktur 35 in einer der oben beschriebenen Ausführungen kann jedes Wand- oder Dachelement 1 seinen eigenen Rahmen 6 aufweisen, der dann am Rahmen eines benachbarten Wand- oder Dachelements befestigt wird. Dies führt zu einer einfachen Austauschbarkeit beschädigter Wand- oder Dachelemente.
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Aus Gewichtsgründen kann es jedoch gewünscht sein, dass benachbarte Folienkissen einen gemeinsamen Rahmen 6 aufweisen. Dies ändert nichts daran, dass auch eine solche Gebäudestruktur 35 konstruktiv aus mehreren Wand- oder Dachelementen 1 gebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wand- oder Dachelement
- 2
- Folienkissen
- 3
- Schließstellung
- 4
- Offenstellung
- 5
- Seiten
- 6
- Rahmen
- 6’
- Ecken des Rahmens
- 7
- Lage
- 8
- Lage
- 9
- Membranhülle
- 10
- Querschnitt
- 11
- Innenraum
- 12
- Umgebung
- 13
- Mitte
- 14a
- Breite in der Schließstellung
- 14b
- Breite in der Offenstellung
- 15
- Breitenverringerung
- 16
- Richtung der Breitenverringerung
- 17
- Grundfläche
- 18
- Längserstreckung
- 19
- Teilkissen
- 20
- zentrales Teilkissen
- 21
- Ring
- 22
- kleiner Ring
- 23
- Einhüllende
- 24
- Längsseite
- 25
- Schmalseite
- 26
- Gelenke
- 27
- Rahmenelement
- 28
- Ebene
- 29
- Winkel der Rahmen
- 30
- Winkel
- 31
- Fixpunkte
- 32
- Längenänderung in Längsrichtung
- 35
- Gebäudestruktur
- 36
- elastisch verformbarer Rahmenbereich
- 37
- gradliniger Bereich
- 38
- Reihe
- 39
- Traggerüst
