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Dach, insbesondere luftgetragenes Dach
Die Erfindung betrifft
ein Dach, insbesondere luftgetragenes Dach, das dazu verwendet werden kann, in hohem
Umfang eine Kontrolle bzw. Regelung der gesamten Umgebungseinflüsse innerhalb eines
großflächigen Bodenbereiches zu ermöglichen, wobei das Dach im wesentlichen aus
einer flexiblen Membran bzw. Haut besteht, die von einem Luftpolster getragen wird.
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Bei einem derartigen Dach ist die Membran notwendigerweise außerordentlich
hohen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt, und es ist erforderlich, zum Auffangen
dieser Spannungen Verstärkungsseile bzw. Verstärkungskabel vorzusehen. E s ist bereits
vorgeschlagen worden, ein Dach dieser Art zu errichten, welches eine eine große
Kuppel bildende Membran bzw. Haut aufweist, wobei die Kuppel die zu umschließende
fläehe Uberspannt und von einem System von Spannkabeln und Halte- bzw. Verankerungsseilen
getragen wird. Ein gemäß diesem Vorschlag errichtetes kuppelförmiges Dach ist jedoch
zum Überdecken
bzw. Überspannen größerer Bodenflächen, z.B. einer großen
Staat mit einer Bodenfläche von mehreren Quadratkilometern, ungeeignet, und zwar
insbesondere infolge der außerordentlich hohen Beanepruehungen bzw. Spannungen,
die in einer Membran bzw. Haut von derartiger Größe auftreten
würden;
eine derartige eine große Bodenfläche bedeckende Kuppel wäre jedoch auch aus rein
praktischen Problemen nicht zu verwirklichen, und zwar unter Berücksichtigung des
Gesichtspunktes, daß auf die Oberseite der Membran bzw. Haut fallender Niederschlag
in ausreichendem Umfang abgeleitet werden muß. Da die Spannungskräfte, die in einer
Kuppel von derartiger Größe auftreten, eine Funktion der Fläche sind und da die
Entwässerungsprobleme sich im Verhältnis zur Fläche und den linearen Abmessun-
| gen der Kuppel vervielfältigen, besteht eine obere G*ze für
die |
Größe eines derartigen Daches, das sich in der Praxis errichten läßt.
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Der Erfindung liegt die -Aufgabe zugrunde, eine Dachüberdeckung dieser-Art
zu schaffen, bei dem die in der Membran auftretenden Spannungskräfte unabhängig
von der Gesamtfläche der Membran sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Dach zum Überdecken großer Bodenflächen,
bestehend aus einer die Bodenfläche überspannenden flexiblen Membran bzw. Haut,
die einen umschlossenen Raum bildet, der durch seitliche Vorhänge begrenzt ist,
wobei zur Verstärkung der Membran die in der Membran auftretenden Spannungen aufnehmende
Spannkabel, zwischen den Spannkabeln und dem Hoden sich erstreckende Halte- bzw.
Verankerungaseile und Einrichtungen zum Zuführen von Luft vorgesehen sind, von denenletztere
dazu dienen, den Luftdruck innerhalb des umschlossenen Raumes in ausreichendem Umfang
über dem atmosphärischen Druck zu hasten, um die Membran dadurch abzustutzen, dadurch
gekennzeichnet,
daß die EIembran aus einer Vielzahl von Feldern
zusammengesetzt ist, die mit ihren Rändern bzw. Kanten gegeneinander anliegen und
an jeweils benachbarten Rändern miteinander verbunden sind, daß jedes Feld mit einem
eigenen System von Spannkabeln ausgerüstet ist, daß die Verankerungsseile an den
Spannseilen im Bereich der Ränder der Felder befestigt sind, von denen jedes so
geformt ist, daß es eine Kuppel bildet, wenn es durch die eiäh innerhalb des umgrenzten
Raumes befindende Luft aufgebläht ist, daß jedes Feld einen Luftauslaß enthält und
daß jedes Verankerungsseil einer Vielzahl vdn sich in einem Punkt treffenden Spannkabeln
verschiedener Felder zugeordnet ist, derart, daß die in der IJembran auftretenden
Zugspannungen im wesentlichen von der Zahl der Felder unbeeinflußt sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die in jedem Iiiembranfeld
auftretenden Spannungen bzw. Zugkräfte eine Funktion des Differenzdrucks zwischen
dem Innendruck und dem atmosphärischen Druck, der Fläche jeder einzelnen Membran,
und der 7rümmung der Kuppel; die Spannungskräfte sind jedoch nicht eine Funktion
von der Gesamtanzahl der einzelnen Felder.
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Die sich gegenüberliegenden Seiten benachbarter Felder bilden an der
Oberseite der hembran ein System von Entwässerungekanälen und das Wasser läßt sich
aus diesen Kanälen durch Rohre oder Zeitungen ableiten, die mit den Entwässerungskanälen
an in geeignetem Abstand voneinander liegenden Punkten in Verbindung stehen. Vorzugsweise
sind die Verankerungsseile rohrförmig ausgebildet und bilden die Abflu31eitungen
bzw. Abflußrohre, durch die das ".'csssr aus den Entwässerungskanälen abgeleitet
wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen,
in denen in beispielhafter Weise eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt
ist, näher beschrieben. Es zeigens Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Daches,
welches eine Stadt überspannt, die eine Grundfläche von mehreren Quadratkilometern
hat, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Daches, wobei ein Teil
des Bodens im Schnitt dargestellt ist, Fig, 3 im Ausschnitt eine Draufsicht auf
die Membran und Fig. 4 eine Draufsicht auf mehrere typische Zuschnitte, aus denen
ein Membranfeld zusammengesetzt ist. Die Stadt, die von dem Dach bzw. Schutzdach
überspannt ist, enthält Gebäude 1, Gartenanlagen 2 und an ihrer Peripherie
| eine Land- bzw. Ringstgraße 3. Die Drainage bzw. Entwässerung |
der Stadt erfolgt mittels eines Systems von unterirdischen Abwässerkanälen 4. Das
Dach selbst weist eine im wesentlichen flexible Membran bzw. Haut 5 auf, die aus
einem im wesentlichen horizontalen Abschnitt 6, der in einer Höhe von etwa 300 -
400 m getragen wird, und einem entlang des Umfanges dieses horizontalen Abschnittes
verlaufenden, schräg liegenden Rand 7 besteht, der bis zum Boden 8 geführt ist und
die Straße 3 überspannt. Zwischen den Rändern des im großen und ganzen horizontalen
Abschnittes 6 und dem Boden erstrecken sich seitliche Vorhänge 9, die den sich innerhalb
der Überdachung befindenden Raum 1o begrenzen. Das Dach kann mit zur Atmosphäre
offenen Bereichen 11 versehen sein, die sich z.B. über bestimmten Gartenflächen
2 und ggfs. auch anderen
nicht zu überdeckenden Flächen befinden.
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Die Membran bzw. Haut '5 wird von der sich innerhalb des Raumes 1o
befindenden Luft getragen! die unter einem Druck steht, 'welcher um einen ausreichenden
Betrag größer ist als der Atmosphärendruck, um das Gewicht der Membran und der daran
angeschlossenen Teile zu tragen. Diese Luft strömt in den abgeschlossenen Raum als
Ergebnis des sogenannten "Kamineffektes", wenn die Temperatur innerhalb des Raumes
höher ist als die Temperatur der umgebenden Atsmosphäre, oder die Luft wird kontinuierlich
mittels Gebläsen 12 von der Außenatmospähre in den umschlossenen Raum 1o gepumpt,
wenn die Temperatur innerhalb dieses Raumes sich in der Nähe der Umgebungstemperatur
befindet oder niedriger als diese ist. Entlüftungsöffnungen oder Ventile, die noch
mehr ins einzelne gehend beschrieben werden, sind in der Membran vorgesehen, um
das Ausströmen von Luft in kontrolliertem Umfang zu ermöglichen. Bei einem derartigen
Belüftungssystem steigt die Luft, die vorteilhafterweise vorher konditioniert sein
kann, kontinuierlich nach oben, wobei Rauch, Abgabe und andere unerwünschte Gase
mitgenommen und in die Atmosphäre abgeleitet werden. Die Membran ist aus Abschnitten
oder Feldern 13 zusammengesetzt, die von oben betrachtet polygonal oder viereckig
sind, wobei die Felder mit den Kanten aneinander anstoßen und die aneinanderstoßenden
Kanten aneinander befestigt sind, um die großflächige Überdeckung zu bilden. Jedes
Membranßeld ist aus flachen Zuschnitten 2o zusammengesetzt, deren typische Formen
in Fig. ¢ dargestellt sind, derart, daß das fertige Membranfeld eine viereokige
bzw. quadratische Form hat, wenn es von oben betrachtet
wird, wobei
jedes Feld, wenn es infolge von Innendruck aufgebläht wird, eine koppelförmige Form
annimmt. Die Zuschnitte 2o sind mit einander überlappenden Kanten aneinander befestigt.
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Das zur Herstellung der Membran verwendete Material besteht vorzugsweise
aus verstärktem Polyvinylfluorid, das leicht, flexibel und für ultraviolettes und
sichtbares Licht verhältnismäßig durchlässig ist. Die Membran kann aus einer zwischen
zwei Polyvinylfluoridschichten sandwichartig dazwischengelegten Schicht aus Dacron
oder Nylon bestehen. Jedes Y.embranfeld ist mit einer Belüftungsöffnung oder einem
Ventil 14 versehen und enthält ein System von Verstärkungs- oder Spannkabeln, welche
radial verlaufende Kabel 15 und Umfangskabel 16 umfassen. Die Kabel 15 und 16 können
aus Nylon oder Dacron sein und sind fest bzw. einstUckig mit dem Material der Membran
verbunden, wobei die Kabel zwischen den überlappenden Rändern bzw. Kanten des Zuschnittes
2o eingelegt werden, bevor diese Zuschnitte miteinander verbunden bzw. verklebt
werden. Diese Spannkabel verstärken die Membran und nehmen die in der Membran auftretenden
Zugspannungen auf.
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Die Membranfelder sind mit ihren Kanten bzw. Rändern &egeneinander
anliegend derart miteinander verbunden, daß jedes Spannkabel eine Vielzahl anderer
Spannkabel.. an einem gemeinsamen Kreuzungspunkt trifft. Die Membran bzw. Haut ist
mittels eines Systems von Halte- bzw. Verankerungsseilen 17 am Boden verankert,
| wobei jedes Verankerungsseild an den Spann- bzw. Zugkabeln
an |
Punkten im Bereich der Ränder der Membranfelder angeschlossen.ist und wobei jeweils
ein Verankerungsseil jeweils mehreren Zugkabeln verschiedener Felder zugeordnet
ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Ansehluß- bzw. Verbindungsstellen
zwischen den Verankerungsseilen und den Zugkabeln je-
| weils an den Ecken der Membranfelder und es ergibt sich, daß
im |
| Fall einer :3ehr großen Daches die Anzahl der Verankez-iingsse-ile |
| des I"c@r:.1., -@r "elder ent4wieht. |
| Im folgenden werden die cla:_ |
| untersucht, wobei von folgenden Größen ausgegangen wird: |
| N ist die Anzahl der Llembranfelder, wobei davon aus- |
| gegangen wird, daß diese Anzahl im wesentlichen |
| gleich der Anzahl der Verankerungsseile ist; |
| TT ist die Spannung in den Verankerungsseilen 17; |
| TR ist die Spannung in den radialen Kabeln 15; |
| Tp ist die Spannung in den Umfangskabeln 16; |
| A ist der Neigungswinkel der Kabel 15 relativ zur |
| Horizontalen an den Ecken der Membranfelder; |
| F ist der Neigungswinkel der Kabel 16 relativ zur |
| Horizontalen an den Ecken der i.Iambranfelder; |
| P ist der Differenzdruck zwischen dem Innendruck |
| und dera atmosphärischen Druck und |
| X ist die auf eine waagerechte Ebene projizierte |
| Fläche eines i.:embranfelde s . |
| Es ergeben sich daraus folgende Gleichungen: |
| (1) TT = 4 TR Sin.A + 4 TP Sin B |
| (2) NTT = itPK ; |
| da davon ausgegangen werden kann, daß TN und TP nur proportional |
| der Spannung in der I,Iembran T1111 ist, kann geschrieben werden |
| T" K1mP 12TLI |
| wobei X1 und _'2 Konstanten sind; daraus folgt |
und daraus wiederum
Aus der obigen Berechnung ergibt sioh, daß die Spannung in der Membran bzw. Haut
von dem Innendruck abhängig ist, den Flächen der einzelnen Felder und der Form oder
Gestalt der Membranfelder; die Spannung in der Membran ist jedoch unabhängig von
der Gesamtfläche der Membran.
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Die Membranfelder haben eine kuppelförmige Gestalt, so daß auf der
Oberfläche der Membran ein System von Entwässerungs-bzw. Abflußkanälen 18 gebildet
wird, aus denen Wasser durch Rohre abgeleitet wird, die sich von diesen Kanälen
18 zum Boden erstrecken. Die Seile 17 dienen als Drainage- bzw. Entwässerungsrohre
undjmünden mit ihren unteren Enden in Abflußleitungen 19, die mit dem Hauptentwässerungssystem
4 in Tierbindung stehen. Gemäß einer vorteilhaften abgewandelten Ausführungsform
kann das Wasser aus den Entwässerungskanälen 18 einem Vorratsspeicher zugeführt
werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften AusfUhrungsform der Erfindung können
elektrische Heizelemente in die Iviembran eingearbeitet'sein, um auf der Membranoberseite
liegenden Schnee oder Eis zu schmelzen, obwohl bei den meisten klimatischen Bedingungen
die Temperatur des abgeschlossenen Raumes selbst, die ziemlich stabil bleiben wird,
ausreicht, auf der Membran liegenden Schnee oder sich darauf absetzendes Eis zu
schmelzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften AusfUhrungsform der
Erfindung sind die Zuschnitte 2o an den östlich und westlich liegenden Seiten der
kuppelförmigen Membranfelder mit einem geeigneten Material beschichtet oder imprägniert,
um die Sonnenstrahlen zu absorbieren oder zu reflektieren, während die Felder an
den nördlich und südlich liegenden Teilen unbeschichtet sind, so daß während des
Sommers ein größerer Anteil der Sonnwärme aufgefangen oder reflektiert wird als
im Winter, wenn die Sonne nur niedrig am Himmel steht.
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Die Erfindung schafft somit ein Dach bzw. eine Überdeckung, das bzw.
die eine sehr'große Stadt von mehreren Quadratkilometern Größe überdecken bzw. umschließen
kann, ohne daß irgendwelche ernsthafte Probleme bezüglich der Halterung und Verankerung
des Daches, der in dem Dach induzierten Spannungen oder bezüglich der Ableitung
von Regenwasser von der Dachoberseite entstehen. Die Luftverpestung bzw. Luftverunreinigung
innerhalb des geschlossenen Raumes wird unter Kontrolle gehalten, da die Hauptluftströmung
derart ist, daß schädliche bzw. giftige Gage nach oben gefördert und die Entlüftungsöffnungen
entfernt werden.
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Aerodynamische Untersuchungen zeigen, daß ein luftgetragenes Dach
der beschriebenen Art besondere widerstandsfähig gegen Seitenwinde ist, wobei selbst
Stürme, WirbelatUrme und Orkane tiber die Dachoberseite abgeleitet werden. Um im
Bereich der Entlüftungsöffnungen Unterwinde oder andere Störungen zu vermeiden,
können die Entläftungsöffnungen mit Aufsätzen bzw. Windhauben versehen sein,
wobei die Größe der Öffnungen insbesondere in
Übereinstimmungmit
dem Innenluftdruck verkleinert werden kann, wenn starke Winde herrschen, um die
Wirkungen zu kompensieren, die ihre Ursache in der konvexen Oberfläche jedes Membranfeldes
haben, die sich praktisch mit einem Flugzeugflügel verlgezchen läßt.
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Die Eingänge und Ausgänge an den Ränern der überdachten Flächen sind
abgedichtet, um das Ausströmen von Luft aus dem umschlossenen Raum gering zu halten.
Die Eingänge und Ausgänge für Fußgänger können mit Luftschleusen versehen sein,
während im Fall von größeren Öffnungen für Fahrzeuge Labyrinthdichtungen vorgesehen
sein können.
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Die Wahl des Materials für die Membran hängt von den Bedingungen ab,
denen die Membran ausgesetzt wird und unter denen sie verwendet wird. Die Zuschnitte
der Membranfelder können warmverschweißt miteinander sein; vorzugsweise sind sie
jedoch unter Verwendung eine Klebemittels miteinander befestigt. Im letzteren Fall
kann es erforderlich sein, irgendwelche eventuelle Veränderungen der Eigenschaften
des Klebemittels zu beachten, wobei diese ,Änderungen bzw. Veränderungen altersbedingt
sein können oder ihre Ursache im heißen oder kalten Wetter haben oder unter dem
Einfluß des Sonnenlichts erfolgen können. Polyvinylfluorid ist ein bevorzugtes Material
für die Zuschnitte, da es verhältnismäßig transparent für ultraviolettes Licht ist;
wenn jedoch ein Dach für einen langen Zeitraum ultraviolettem Licht ausgesetzt ist,
so kann es vorteilhaft sein, die Zuschnitte und Membranfelder mit Glasfibern oder
Stahldrähten anstelle von synthetischen Pasern zu verstärken, da die letzteren eich
in ihren Eigenschaften verschlechtern können, wenn sie einer ultravioletten Strahlung
ausgesetzt werden.