DE2209596A1

DE2209596A1 - Zerlegbares gebaeude aus vorgefertigten platten

Info

Publication number: DE2209596A1
Application number: DE2209596A
Authority: DE
Inventors: John R Fitzpatrick
Original assignee: RAFEL ETS
Current assignee: RAFEL ETS
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1972-02-29
Publication date: 1973-09-06
Also published as: FR2179280A5; DE2209596B2; GB1329403A; US3820292B1; DE2209596C3; US3820292B2; US3820292A

Description

betreffend
Zerlegbares Gebäude aus vorgefertigten Platten.

Die Erfindung betrifft ein zerlegbares Gebäude starrer Bauweise in der Form einer hohlen Schale aus vorgefertigten Platten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zerlegbares, schalenartiges Gebäude derart zu gestalten, daß es aus vorgefertigten Platten mit geringer handwerklicher Geschicklichkeit und möglichst kleiner Werkzeugausstattung im wesentlichen wasserdicht erstellbar ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Gebäude der eingangs be schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gebäude mehrere sich längs eines Polygons auf einem Unterbau oder Fundament abstützende, nach oben konvergierende und nach innen geneigte Sektoren aufweist, die durch Schnitte mit mehreren in senkrechten Abständen übereinanderliegend gedachten waagerechten Ebenen in Segmentplatten

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unterteilt sind, von denen die von je zweien dieser waagerechten Ebenen begrenzten Segmentplatten einen Segmentplattenring bilden, und von denen jede Segmentplatte eben ist und die Form eines Trapezes hat, dessen oberer und unterer Rand parallel sind, dessen beide Seitenränder gleich lang sind und konvergieren und dessen spitze Winkel zwischen dem unteren Rand und jedem der Seitenränder von einer Segmentplatte zur nächstoberen abnehmen, so daß jeder Sektor eine geringfügige Wölbung nach außen aufweist, die jedoch geringer ist als diejenige Wölbung, bei der einer der Segmentplattenringe einer nach außen gerichteten resultierenden Kraft ausgesetzt wäre.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zerlegbaren Gebäudes;

Fig. 2 die beiden ersten Segmentplattenringe während des Zusammenbaus, vom Inneren des Gebäudes aus gesehen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Spitze des zerlegbaren Gebäudes mit einer konischen Kappe, die gerade an ihre Einbaustelle abgesenkt wird;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Sektors des zerlegbaren Gebäudes, dessen Segmentplatten alle in der Zeichnungsebene liegen;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3;

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-" 3 —

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 1|imd

Fig. 7 und 8 Diagramme zur Erläuterung der im Anhang diskutierten Berechnungen.

In Fig. 1 ist ein zerlegbares Gebäude 10 dargestellt, das einen polygonalen Unterbau 12 aufweist, auf dem eine Viäzahl ähnlicher, nach oben konvergierender und nach innen geneigter benachbarter Sektoren 14 steht,, Das Wort "Sektor" bedeutet hier und im folgenden einen keilförmigen Ausschnitt des Gebäudes 10, der sich vom Unterbau 10 bis zur Spitze 15 erstreckt. Jeder Sektor 14 ist seinerseits in Segmentplatten 17 bis 24 unterteilt, die vom Unterbau 12 n&cfe oben fortlaufend numeriert sind, Die Spitze 15 des Gebäucles 10 ist gemäß Fig. 3 durch eine getrennte kegelförmige Kappe 26 vervollständigt, die hier nicht als Teil der Sektoren 14 angesehen wird. Die kegelförmige Kappe 26 ist nicht Gegenstand der Erfindung und könnte beispielsweise durch einen flachen oder domartigen obei^en Abschluß ersetzt sein. Die Erfindung betrifft in erster Linie die-Form der Sektoren 14 und insbesonders die leichte ηεΜι außen gerichtete Wölbung der Sektoren; die oben in Fig« 3 dargestellte Öffnung könnte durch eine selbsttragende Kappe beliebiger Art und Form abgeschlossen sein_e Zudem sind Anwendungsfälle möglich, bei denen es erwünscht is"t, diese Öffnung unverschlossen zu lassen, um einen Kamin oder Rauchfang, eine Antenne od.dgl, hindurchzufuhren«

In Fig. 6 ist ein Querschnitt des Unterbaus 12 dargestellt. In den Unterbau 12 ist eine Anzahl längsgerichteter Bewehrungsstähle 28 und eine Anzahl querliegender Bewehrungsstähle 30 eingebettete Im Querschnitt des Unterbaus 12 ist ein nach außen gerichteter Fuß 32 und ein nach oben weisender dachförmiger Abschnitt 34 mit einer nach innen geneigten Flanke 35 und einer nach außen geneigten

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Flanke 36 erkennbar. Die nach innen geneigte Flanke 35 erstreckt sich normal, also im rechten Winkel, zur Richtung der untersten Segmentplatten 17 der Sektoren 14 des Gebäudes 10; die nach außen gerichtete Flanke 36 erstreckt sich dagegen parallel zu den Segmentplatten 17. Die Flanken 35 und 36 sind somit im rechten Winkel zueinander angeordnet· In den Unterbau 12 sind zahlreiche Bolzen 36 mit ihrem Kopf nach unten eingebettet, deren Schaft 40 aus der nach innen geneigten Flanke 35 in Richtung der unteren Segmentplatten 17 herausragt. An der nach innen geneigten Flanke 35 ist gemäß Fig. 6 mit den Bolzen 38 ein entsprechend durchbohrtes langgestrecktes Widerlager 42 befestigt.

Der Unterbau 12 hat eine besonders in Fig. 1 und 2 erkennbare vieleckige Form, die aus einer Vielzahl aneinandergrenzender, geradliniger Abschnitte gleicher Länge besteht. Der Unterbau 12 ist somit im dargestellten AusfUhrungsbeispiel ein regelmäßiges Vieleck. Dementsprechend ist auch das langgestreckte Widerlager 42 abschnittsweise an der nach innen geneigten Flanke des vieleckigen Unterbaus 12 befestigt.

Die unterste Segmentplatte jedes Sektors 14 steht auf dem ihr zugeordneten Widerlager 42. Die Bauweise der Segmentplatten des dargestellten Ausführungsbeispiels ist am besten in Fig. 2 erkennbar, wo der vieleckige Unterbau 12, ein teil von dessen nach innen geneigter Flanke 35 und mehrere Segmentplatten 17 und 18 dargestellt sind. Der Übersichtlichkeit halber werden alle Segmentplatten/der Sektoren 14 als Bestandteile eines Rings 117 angesehen. Dementsprechend werden die Segmentplatten 18 als Bestandteile eines Rings 118 angesehen usw. In Fig. 2 ist der Ring 117 teilweise zusammengebaut: drei der Segmentplatten 17 sind in ihrer endgültigen Anordnung auf dem Unterbau 12 dargestellt. Jede Segmentplatte 17 besteht aus einer äußeren Tafel 44 und einem Rahmen 45.

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Der Rahmen 45 setzt sich zusammen aus seitlichen Holmen 47, einem oberen Querriegel 48, einem unteren Querriegel 49 und Zwischengliedern 50.

Es hat sich bewährt, die äußeren Tafeln 44 aus Sperrholz von etwa 9,5 mm (3/8 Zoll) Dicke herzustellen und die Rahmenbauteile 47 bis 50 aus Vierkanthölzern von etwa 50x150 mm (2x8 Zoll) Querschnitt. Die Seitenholme 47 jeder Segmentplatte 17» 18 usw. weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie besonders aus Fig. 2 ersichtlich, je vier Durchgangslöcher auf, während die oberen und unteren Querriegel 48 und 49 je sechs Durchgangslöcher aufweisen, eine Zahl, die bei den oberen Segmentplatten 19, 20 usw..wegen der sich mit zunehmender Höhe vermindernden seitlichen Ausdehnung der Segmentplatten abnimmt. Beim Zusammenbau der Segmentplatten 17, 18 usw. werden Bolzen durch die miteinander fluchtenden Durchgangslöcher hindurchgesteckt und dazu verwendet, die Segmentplatten in ihrer Einbaustellung zusammenzuspannen. Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform besteht das Gebäude 10 aus zwanzig Sektoren 14, so daß jeder Sektor, von der Spitze 15 aus gesehen, einem Kreisabschnitt von 18° entspricht. Dies bedeutet außerdem, daß der vieleckige Unterbau 12 zwanzig Seiten aufweist, und daß der stumpfe Winkel zwischen je zwei aneinandergrenzenden Seiten 162° beträgt.

Jede der Segmentplatten hat die Form eines gleichschenkligen Trapezes, weist also parallele obere und untere Ränder und gleichlange, konvergierende seitliche Ränder auf. Somit schließt der untere Rand jeder Segmentplatte mit jedem der Seitenränder gleiche spitze Winkel ein, während der obere Rand jeder Segmentplatte mit jedem der Seitenränder den gleichen stumpfen Winkel einschließt. Das Ziel der Erfindung, daß jeder Sektor 14 - wie in Fig. 1 deutlich erkennbar eine leichte, nach außen gerichtete Wölbung aufweist, wird dadurch erreicht, daß der spitze Winkel zwischen dem unteren

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Rand und jedem seitlichen Rand der Segmentplatten innerhalb eines Sektors von einer Segmentplatte zur nächstoberen geringfügig abnimmt. Zwischen dem Neigungswinkel jeder Segmentplatte in bezug auf eine waagerechte Ebene und dem spitzen Winkel zwischen dem unteren Rand und jedem der Seitenränder dieser Segmentplatte besteht eine genaue mathematische Beziehung, die folgendermaßen lautet:

cot A = cos B χ tan C, wobei ι

180 °

C =

Anzahl der Seiten

B = der spitze Winkel zwischen einer Segmentplatte und einer waagerechten Ebene; und

A = der spitze Winkel zwischen dem unteren Rand der Segmentplatte und jedem ihrer

Seitenränder.

Im vorliegenden Fall, bei dem das Gebäude zwanzig Seiten aufweist, wird die Beziehung

cot A = cos B χ tan 9°.

Wenn der Winkel B im Segmentplattenjring 117 mit 47° 45' gewählt wird, ergibt die obenstehende Formel den Betrag 85° 10· für den Winkel A. Alle Segmentplatten 17. haben dann den Winkel 85° 10' zwischen ihrem unteren Rand und ihren beiden Seitenrändern. Die äußeren Kanten der beiden Seitenholme 47 sind vorzugsweise leicht abgeschrägt, so daß die Seitenholme benachbarter Segmentplatten 17 einander in einer Fläche berühren. Die Kanten der oberen und unteren Querriegel 48 und 49 verlaufen ebenfalls unter einem Winkel, damit sie mit den darüber und darunter angeordneten Segmentplatten zusammenpassen.

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Die erwünschte leichte, nach außen gerichtete Wölbung jedes Sektors 14 ergibt sich daraus, daß für den Winkel B des nächstoberen Segmentplattenrings 118 ein geringerer Wert gewählt und die obenstehende Formel mit diesem neuen Wert von B durchgerechnet und nach einem neuen Wert von A aufgelöst wird. Die Segmentplatten 18 erhalten dann eine Abschrägung entsprechend dem neuen Wert des Winkels A. Derselbe Rechnungsgang wird für die Ringe 119» 120 usw. mit ständig verminderten Werten der Winkel B und A wiederholt, woraus sich die in Fig. 1 dargestellte Form ergibt, bei der jeder Sektor 14 eine leichte Wölbung nach außen aufweist.

Die Segmentplatten 17 bis 24 eines einzelnen Sektors 14 sind in Fig. 4 flachgelegt und liegen alle in der Zeichniisgsebene. Während die Segmentplatten 17, 18, 19 und 20 je drei senkrechte Zwischenglieder 50 aufweisen, haben die Segmentplatten 21 und 22 nur je zwei senkrechte Zwischenglieder und die oberen Segmentplatten 23 und 24 nur je eines»

Die einzelnen Segmentplatten 17 bis 24 sind derart gestaltet, daß sie leicht aus genormten 4x8 Fuß-Sperrholsplat^en herstellbar sind. Die senkrechten Zwischenglieder- 50 im Uh^ Segmentplatten sind derart angeordnet, daß sie die Fugen zwischen benachbarten Kanten der Sperrholzabschnitte überdecken. Somit ist jede Segmentplatte 8 Fuß hoch und das Basismaß der Segaaentplatten vermindert sich von etwa 16 Fuß bei der Segmentplatte 17 auf etwa 4 Fuß bei der Segmentplatte 24.

Jede der oberen Segmentplatten 24 hat eine Entlüftungsöffnung oder ein Fenster 52; der Ring der Fenster 52 ist in Fig. 3 deutlich erkennbar.

Die in Fig. 3 dargestellte kegelförmige Kappe 26 kann von beliebiger Bauart sein; wenn jedoch eine wetterfeste Kappe erwünscht ist, sollte sie so geformt, sein, daß sie

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dicht und fest gegen die oberen Enden 53 der oberen Segmentplatten 24 des Rings 124 abschließt.

In Fig. 5 ist eine zur Verbesserung der Wasserdichtheit des Gebäudes vorteilhafte Einzelheit dargestellt. Sie besteht darin, daß zwischen den senkrechten Rändern benachbarter Segmentplatten Dichtungen aus elastischem Werkstoff angeordnet sind. Bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 5 hat die Dichtung 54 die Form eines GummiSchlauches, der zwischen den Seitenholmen 47 eingespannt oder eingezwängt ist. Eine solche Dichtung könnte auch zwischen den waagerechten Querriegeln benachbarter Segmentplatten angeordnet sein. In Fig. 5 ist auch einer der Bolzen 56, mit denen benachbarte Segmentplatten zusammengespannt sind, in seiner endgültigen Stellung erkennbar. Die aus Gummi bestehende Dichtung 54 ist an den Stellen, an denen einer der Bolzen 56 hindurchgesteckt wird, vorgelocht; sie ist vorzugsweise ein Strangpreßerzeugnis von beliebigem passenden Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte besondere Form des Gebäudes ist ein Beispiel einer Gestaltung, mit der die Erfindungsaufgabe gelöst ist. Das Gebäude ist nicht kuppel- oder halbkugelförmig sondern es hat nahezu die Form einer Pyramide, ist aber wegen der leichten, nach außen gerichteten Wölbung Jedes der Sektoren 14 auch nicht genau eine Pyramide. Das Gebäude kann somit als quasi-pyramidenförmig bezeichnet werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den untersten Segmentplatten 17 und der Waagerechten ungefähr 57°, und der Winkel zwischen den obersten Segmentplatten 24 und der Waagerechten beträgt ungefähr 35°; mit diesen Beträgen sind aber nicht die Grenzen des Möglichen erreicht.

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Die Vorteile einer erfindungsgemäßen quasi-pyramidenförmigen Bauweise werden am deutlichsten bei einem Vergleich mit üblichen kuppeiförmigen Gebäuden wie sie beispielsweise in der kanadischen Patentschrift 744 895 beschrieben sind. Ein besonderer Nachteil dieser bekannten Bauweise betrifft die abgeflachte Form an der höchsten Stelle der Kuppel» Diese Form ist unvermeidlicher Bestandteil jeder Kuppel und hat den Nachteil, daß das Gewicht der oberen oder zentralen Ringe der bekannten Konstruktion von Segment zu Segment einen nach außen gerichteten radialen Druck hervorruft, der zur Folge hat, daß die mittleren Segmente, also die Segmente in mittlerer Höhe der Kuppel, vom Mittelpunkt der Kuppel weg nach außen abgedrängt werden, die Kuppel also der Gefahr des Berstens ausgesetzt ist. Dies könnte dadurch vermieden werden, daß die mittleren Segmente, oder alle betroffenen Segmente, ein genügendes Eigengewicht haben, das dieser nach außen gerichteten, "berstenden" Kraft entgegenwirkt. Es wäre jedoch wirklichkeitsfremd, Kosten nur zum Erhöhen des Gewichts des Baustoffs auszugeben um eine Schwierigkeit zu überwinden, die einer fehlerhaften Konstruktion innewohnt. Dieser Nachteil der bekannten Konstruktion ist noch ernster zu nehmen, wenn das Bauwerk in Gegenden mit schwerem Schneefall in den Wintermonaten verwendet wird. Unter solchen Umständen kann die kuppeiförmige Bauweise dahin führen, daß das Gebäude entweder unter seinem Eigengewicht oder unter dem durch eine Schneelast erhöhten Gewicht einstürzt, wenn nicht schon beim Errichten eines solchen Gebäudes die von den mittleren Segmentplatten gebildeten Ringe derart nach ±nen verspannt werden, daß sie nicht bersten können.

Bei dem erfindungsgemäßen Gebäude sind die einzelnen Sektoren 14 nur leicht nach außen gewölbt, so daß die resultierende nach außen gerichtete oder "berstende" Kraft, die auf die mittleren Ringe 120, 121 und 122 einwirkt, vom

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Eigengewicht der ⁿ>egmentplatten etwas mehr als ausgeglichen, also geringfügig überwogen wird. Mit anderen Worten ist die Wölbung nicht groß genug um eine resultierende, nach außen gerichtete oder "berstende" Kraft auf irgendeinen der Segmentplattenringe auszuüben. Diese Bauweise hat zur Folge, daß die auf die einzelnen Segmentplatten einwirkenden Kräfte nahezu ausschließlich axial gerichtet sind und nur geringe oder unmerkliche Biegemomente innerhalb der Segmentplatten oder an den waagerechten Verbindungen zwischen benachbarten Segmentplatten hervorrufen.

Bin weiterer statischer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise besteht darin, daß der gewichtsbedingte Druck im Bauwerk längs der Meridianlinien übertragen wird. Meridian bedeutet hierbei im Sinne der Geometrie eine Linie, die auf einer Rotationsfläche in derselben Ebene verläuft, die auch die Achse der Rotationsfläche enthält. Obwohl das in Fig. 1 dargestellte Bauwerk nicht genau einer Rotationsfläche entspricht, ist dies doch näherungsweise so und infolgedessen sind die senkrechten Grenzen zwischen benachbarten Sektoren 14 Meridiane des Bauwerks. Es ist natürlich besonders vorteilhaft, wenn die auftretenden Kräfte oder Drücke in einer im wesentlichen geraden Linie ohne Sprünge übertragen werden können , und gerade dies wird mit der Erfindung erreicht. Im Gegensatz hierzu ist bei der beschriebenen bekannten Konstruktion nach der kanadischen Patentschrift 744 895 eine solche Kraftübertragung längs Meridianen nicht gegeben; die Ränder der Segmentplatten aufeinanderfolgender Ringe fluchten nicht miteinander.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauwerks besteht darin, daß die oberen und unteren Ränder oder Kanten aller Segmentplatten eines bestimmten Rings, beispielsweise des Rings 119, ein regelmäßiges Vieleck bilden, wie dies auch

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beim Unterbau 12 der Fall ist» Infolgedessen hat das Bauwerk eine erhebliche Widerstandsfähigkeit gegen Drehbelastungen oder Spiralkräfte, wie sie durch wirbeiförmige Windströmungen hervorgerufen werden können, die bestrebt sind, die oberen Ringe gegen die unteren zu verdrehen. Die Widerstandsfähigkeit gegen solche Drehmomente ist bei der beschriebenen bekannten Konstruktion geringer, bei denen die Ränder oder Kanten eines bestimmten Rings eher kreisförmig als polygonal sind. Der sichere Sitz jedes Rings auf dem nächstunteren wird von der geringen Auswärtswölbung jedes Sektors 14 unterstützt, da diese das interessante Phänomen hervorruft, daß an jeder Stelle, an der vier Segmentplattenecken zusammentreffen, beispielsweise an der in Fig. 1 mit einem Kreis umgrenzten Stelle 60, die vier Winkel die Gesamtsumme von weniger als 360° ergeben, und daß niemals mehr als zwei Ränder oder Kanten in derselben. Ebene liegen.

Von der geringen Auswärtswölbung der Sektoren 14 leitet sich der weitere Vorteil ab, daß das erfindungsgemäße Gebäude besonders geeignet ist, Haufen von Schüttgut wie Kohle, Sand, Salz und dgl. aufzunehmen. Das Gebäude ist nur eine selbsttragende Schale, die eine sehr geringe Widerstandsfähigkeit gegen nach außen gerichteten Druck aufweist, obwohl sie sehr widerstandsfähig gegen nach innen gerichteten, auf ihre Außenseite einwirkenden Druck ist; deshalb ist es höchst unerwünscht, daß im Inneren des Gebäudes in Form eines Haufens angeordnetes Schüttgut die Innenfläche des Gebäudes irgendwo berührt. Das in Fig. 1 dargestellte Gebäude ist demnach zur Aufnahme eines kegelförmigen Schüttguthaufens geeignet, dessen Böschungswinkel nicht größer ist als der Winkel zwischen der Waagerechten und einer Linie, die sich von der Spitze 15 zur Basis 12 erstreckt. In diesem Grenzfall wäre der Innenraum des Gebäudes 10 vollständig ausgenützt und die geringfügige Auswärtswölbung der Sektoren 14 würde sicherstellen, daß zwischen dem Schüttgut und dem Gebäude keine Berührung stattfindet.

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Das hier beschriebene Gebäude eignet sich für eine große Zahl von Verwendungen, beispielsweise für Schulen, Bauernhäuser, Scheunen, Vorratsgebäude, Flugzeughallen, Gewächshäuser und dgl.

Der Begriff "Segmentplatte¹¹ im Sinne der beigefügten Ansprüche umfaßt:

a) Platten oder Paneele aus an einem Rahmenwerk befestigtem tafelförmigem Werkstoff,

b) Platten oder Paneele, die ausschließlich aus tafelförmigem Werkstoff mit einstückig ausgebildeten Bebestehen

festigungslippen oder -flanschen an den Rändern, und

c) Paneele in einer offenen Rahmenbauweise ohne Abdecktafeln, beispielsweise mit starr aneinander befestigten Bauelementen aus Aluminium oder Holz.

Die unter (c) erwähnte offene, rahmenartige Bauweise der Segmentplatten läßt sich beispielsweise zum Bau von Gewächshäusern verwenden; in diesem Fall können die Segmentplatten Befestigungsteile aufweisen, die es ermöglichen, Glas in die Rahmen einzuhängen ohne daß das Glas anderen Belastungen als den von seinem Eigengewicht herrührenden ausgesetzt wird.

Die Sektoren können verschiedene Breiten aufweisen, wenngleich es wirtschaftlicher ist, identische Sektoren herzustellen. Bei Verwendung voneinander abweichender Sektoren ist die polygonale Linie, längs derer diese sich am Unterbau abstützen, nicht notwendigerweise ein regelmäßiges Polygon mit gleichen Seiten und Winkeln. Die erfindungsgemäß bevorzugte Verwendung von nach dem Baukastenprinzip einheitlich gestalteten Sektoren ermöglicht es, das Gelände an eine große Zahl stark voneinander abweichender Verwendungszwecke anzupassen.

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Anhang: Theoretische Betrachtungen

Für jedes große, selbsttragende, kuppeiförmige Bauwerk gibt es eine bestimmte "kritische gekrümmte Linie" oder "kritische Kurve" in der senkrechten Ebene eines gegebenen Sektors, welche die von den aneinandergrenzenden Segmentplatten gebildeten Scheitel enthält. Wenn ein Gebäude wie beispielsweise das erfindungsgemäße derart gestaltet wäre, daß alle Scheitel oder Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Gelenkplatten auf dieser kritischen Linie liegen, dann wäre jeder sich vom Boden bis zur Spitze des Gebäudes erstreckende Sektor in vollkommenem statischem Gleichgewicht, bei dem die nach unten gerichtete Gewichtslast sämtlicher Segmentplatten von der nach außen gerichteten, "berstenden" Kraft ausgeglichen wäre, die von der konvexen Form des Sektors herrührt.

Die Berechnung der kritischen Kurve wird anhand von Fig. 7 erläutert. In Fig. 7 sind fünf aneinandergrenzende Segmentplatten eines bestimmten, sich vom Boden bis zur Spitze erstreckenden Sektors schematisch dargestellt. Diese Segmentplatten sind unbehindert gelenkig miteinander verbunden und es wird angenommen, sie seien in einem gedachten Zustand, bei dem die unterste Segmentplatte 1 am Punkt F des Unterbaus gegen Verschieben befestigt jedoch unbehindert um diesen Punkt schwenkbar ist, und daß die obere Segmentplatte 5 in reibungsfreier Gleitbewegung mit einer glatten senkrechten Wand steht. Es wird ferner angenommen,*die fünf Segmentplatten des in Fig. 4 dargestellten Sektors den in Fig. 4 dargestellten Segmentplatten ähnlich sind mit der Ausnahme, daß die obere Segmentplatte 5 bis zu einer Spitze

konvergiert.

*daß

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Wenn die Länge, das Gewicht und die Anordnung des Schwerpunkts jeder der Segmentplatten 1 bis 5 bekannt sind, ist es möglich, die kritische Kurve für den betreffenden Sektor auszurechnen. Die Berechnung beruht vor allem darauf, daß die Hebelarme bzw. Momente in bezug auf das linke Ende jeder SegnB ntplatte, beginnend mit der oberen Segmentplatte 5 und in numerischer Reihenfolge bis hinunter zur untersten Segmentplatte 1 im Gleichgewicht stehen müssen.

Es sei angenommen, die Segmentplatten 1 bis 5 hätten die folgenden Merkmale:

Segmentplatte Nr.	1	2	3	4	5
Gewicht	W	0,9 W	0,8 ¥	0,7 W	0,6 W
Länge	L	L	L	L	L
Winkel in bezug auf die Horizontale	a	b	C	d	e
Lage des Schwerpunkts	Mitte	Mitte	Mitte	0,4 L vom un- £δδ!^η	0,3 L vom un teren Ende

Schritt 1: Gleichgewicht der Momente an der Segmentplatte 5 in bezug auf B:

0,6 W (θ,3 L cos e) = W₅ L sin e; /.W₅ =

Schritt 2: Gleichgewicht der Momente an der Segmentplatte 5 in bezug auf C:

0,7 W (0,4 L cos d) + 0,6 W L cos d = w_L L sin d;

«Qö w

tan d

/15

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22Ü9596 - 15 -

Schritt 3: Gleichgewicht der Momente an der Segmentplatte 5 in bezug auf D:

0,8 W (0,5 L cos c) + 1,3 ¥ L cos c = w^ L sin c;

^w~ c

Schritt 4: Gleichgewicht der Momente an der Segmentplatte 5 in bezug auf E:

0,9 ¥ (0,5 L cos b) + 2,1 ¥ L cos b = W₂ L sin b;

• w - 2,55 W

• «Wp —

* tan b

Schritt 5: Gleichgewicht der Momente an der Segmentplatte 5 in bezug auf F:

¥ (0,5 L cos a) + 3 ¥ L cos a = w-j L sin a;

•_w 3,5 ¥

tan a V/egen des statischen Gleichgewichts aller Segmentplatten:

tan b = 0,728 tan a
tan c = 0,485 tan a
tan d = 0,251 tan a
tan e = 0,0514 tan a

Nun kann der Betrag eines beliebigen dieser ¥inkel willkürlich gewählt und der Betrag aller übrigen ¥inkel unter der Bedingung statischen Gleichgewichts berechnet werden. Wenn das Profil mit diesen Winkeln graphisch kon-

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- 16 struiert wird, ergibt sich die "kritische Kurve".

Beispielsweise werde für den Winkel a der Betrag 73° willkürlich festgesetzt.
Tan a = 3,27
Tan b = 0,728 χ 3,27 = 2,38; Λ £b = etwa 67°

Tan c = 0,485 x 3,27 = 1,585; /.Ac = etwa 58 Tand = 0,251 χ 3,27 = 0,82; .'.^d= etwa 39°

Tan e = 0,0514 χ 3,27 = 0,168; .'.^e = etwa 10

Fig. 8 zeigt das Profil eines Sektors mit den oben berechneten Winkelbeträgen. Die gestrichelte Linie 90 verbindet die Spitze und die Basis des Sektors und schließt mit der Horizontalen einen Winkel von etwa 49° ein.

Bei dem in Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel schließt die Spitze-Basis-Linie mit der Horizontalen einen Winkel von ungefähr 45° ein, der aber keinen Grenzwert für die Anwendbarkeit der Erfindung darstellt. Um für die tatsächlich verwendeten Segmentplatten einer gegebenen Ausführungsform wie der dargestellten die kritische Kurve zu finden, die einen vorgegebenen Spitze-Basiswinkel von beispielsweise ergibt, ermittelt man zunächst die tatsächliche Beziehung zwischen den Tangenswerten der verschiedenen Segmentplattenwinkel unter Verwendung der wahren Merkmale der Segmentplatten (von denen die Tabelle I nur Näherungswerte darstellt); dann wählt mann willkürlich einen der Winkel (beispielsweise den Winkel a) und berechnet die anderen Winkel entsprechend den schon ermittelten Tangensverhältnissen; dann zeichnet man das Profil der Segmentplatten in einem Sektor, wobei man die sich ergebenden Winkel verwendet. Der Spitze-Basiswinkel wird am gezeichneten Profil gemessen und wenn er zu groß ist, was bei dem in Fig. 8 gezeichneten Beispiel der Fall war, wird

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ein neuer etwas geringerer Wert für den Winkel a gewählt und die übrigen Winkel werden wie zuvor berechnet. Diese neue Profil wird aufgezeichnet und(fir Spitze-Basiswinkel erneut gemessen. Wenn dieser nun zu gering ist, wird ein Wert für den Winkel a irgendwo zwischen dem ersten und dem zweiten Viert gewählt und die Berechnung wiederholt. Indem man diese Reihe von Näherungen fortsetzt kann man die kritische Kurve ermitteln, bei der sich die gewünschte Steilheit der Spitze-Basis-Linie ergibt.

Bei diesem Berechnungsverfahren wird vorausgesetzt, daß die Merkmale der einzelnen Segmentplatte schon bekannt sind; wenn dies so ist, dann läßt sich das tatsächliche Profil der Segmentplatten im Sektor ebenfalls ermitteln. Somit läßt sich die Theorie der kritischen Kurve folgendermaßen anwenden:

A. Man will ein in Segmente unterteiltes, selbsttragendes Gebäude errichten, das aus mehr als zwei (von der Basis bis zur Spitze reichende) Sektoren besteht, von denen jeder eine Mehrzahl in waagerechten Ebenen aneinanderstoßender Segmente aufweist. Das Gebäude soll aus den beschriebenen Gründen derart gestaltet werden, daß jeder Sektor leicht nach außen gewölbt ist ohne daß das Sektorprofil außerhalb der kritischen Kurve liegt. Auch ist die erforderliche Neigung von der Spitze zur Basis schon festgelegt worden.

B. Der erste Schritt besteht darin, daß die Winkel zwischen den Segmenten und der waagerechten Ebene willkürlich gewählt und die Formen und Größen der einzelnen Segmente, ihre Gewichte und Schwerpunktslagen so genau wie möglich berechnet werden,

C. Als nächstes verwendet man die oben beschriebene Methode der aufeinanderfolgenden Momentenausgleiche um die nötigen Verhältnisse zwischen den Tangenswerten der verschiedenen Winkel, die eine kritische Kurve ergeben, zu ermitteln.

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D. Um zu prüfen ob die willkürlich gewählten Winkel ein Profil innerhalb der kritischen Kurve ergeben, kann man eines der beiden Verfahren verwenden. Das kürzeste Verfahren besteht darin, daß man annimmt, der Winkel des untersten Segments sei gerade so groß wie der ursprünglich willkürlich gewählt Winkel, und daß man die übrigen Winkel berechnet, die den schorl ermittelten Tangensverhältnissen entsprechen. Dann wird das kritische Profil gezeichnet und die Spitze-Basisneigung des kritischen Profils gemessen. Wenn die Spitze-Basis-Linie mit der Horizontalen einen Winkel einschließt, der kleiner ist als der ursprünglich (Absatz A) festgesetzte Winkel, dann liegt das willkürlich gewählte Profil innerhalb des kritischen Profils und das Gebäude hat nicht das Bestreben, infolge seines Eigengewichts nach außen zu bersten. Der längere Berechnungsweg besteht darin, daß eine Reihe von Annäherungen wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben verwendet wird um das kritische Profil zu ermitteln, das einen Spitze- Basis-Winkel ergibt, der mit dem willkürlich vorgegebenen (Abschnitt A) Winkel übereinstimmt. Wenn man die Winkelbeträge ermittelt hat, bei denen sich eine kritische Kurve mit der gewünschten Spitze-Basis- Neigung ergibt, dann wird diese als Profil aufgetragen und das ursprüngliche, willkürliche Profil (Abschnitt B) wird darüber gezeichnet, damit erkennbar wird, ob es innerhalb der kritischen Kurve liegt.

Wenn eine selbsttragende Kuppel der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Bauart nach ihrer gemäß Vorstehendem berechneten eigenen kritischen Kurve gebaut wird, gibt es bei ihr keinerlei seitliche Kraft zwischen benachbarten Segmenten, da die einzelnen Sektoren in statischem Gleichgewicht stehen. Mit anderen V/orten üben seitlich nebeneinander angeordnete Segmente benachbarter Sektoren aufeinander keinen Druck aus. Die geringste Zunahme des Gewichts der oberen

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Segmentplatten oder des oberen Abschnittes des Gebäudes, beispielsweise infolge von Windlast, Regen oder Schnee hat jedoch eine resultierende "berstende" Kraft auf die Segmentplatten zurfolge und ändert zwangsläufig die kritische Kurve, so daß das Gebäude selbst dann außerhalb der neuen kritischen Kurve liegt. Die Schwierigkeiten, die durch eine Gestaltung hervorgerufen werden, bei der das Gebäude ganz oder annähernd mit seiner kritischen Kurve übereinstimmt, lassen sich im wesentlichen überwinden, indem das Gebäude in den waagerechten Ebenen zwischen aneinandergrenzenden Segmenten mit Seilen umschlungen wird. Es ist jedoch vorteilhaft, die Notwendigkeit solcher Kabel zu vermeiden, indem man das Gewicht des Gebäudes selbst dazu benutzt, um die Segmente zu veranlassen, nach innen zu drücken und dadurch das Gebäude zusammenzuhalten. Die einzige Möglichkeit, dies sicherzustellen, besteht darin, daß das Gebäude reichlich innerhalb seiner eigenen kritischen Kurve gestaltet wird, so daß keinerlei Seile nötig sind (abgesehen von denen, die erforderlich sind um Öffnungen im Gebäude, beispielsweise Tore, zu verspannen), und so daß einfache Bolzenverbindur^n zwischen den Segmentplatten ausreichen, die in erster Linie dazu dienen, die Kanten der Segmentplatten in Fluchtung zu halten,.

Die oben entwickelte Theorie der kritischen Kurve kann auch zu dem Nachweis verwendet v/erden, daß jedes aus Segmenten zusammengesetzte Gebäude von der ungefähren Form einer halbkugelförmigen Kuppel mit Sicherheit sehr nahe bei wenn nicht außerhalb seiner eigenen kritischen Kurve liegt, sofern die Segmente ungefähr von einheitlichem Gewicht je Flächeneinheit sind. Bei jedem Gebäude, das sich von dem anmeldungsgemäßen im wesrietlichen nur dadurch unterscheidet, daß es eine übliche Kuppelform aufweist, ist deshalb eine Umschlingung mit Seilen zwjrgend erforderlich, um zuvermeiden, daß Schnee, Regen oder Windlast am oberen Mittelpunkt der Kuppel einen Einsturz herbeiführt.

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Diese die kritische Kurve betreffenden Betrachtungen erhalten erhöhte Bedeutung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung, deren besonderes Ziel es ist, mit einem niedrigen Sicherheitsfaktor auszukommen und ein Gebäude der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, daß zwischen den Segmentplatten ausschließlich Druckkräfte auftreten können. Somit besteht der Kern der Erfindung darin, daß zwar die Festigkeit eines schalenförmigen Gebäudes mit geringer Wölbung ausgenutzt, eine Annäherung an die kritische Kurve aber vermieden wird, wobei sichergestellt ist, daß hinzukommende Schneelasten und dgl. auf die mittleren Segmente keine resultierende Berstkraft ausüben können.

Ein weiterer Grund, eine im wesentlichen pyramlden- oder kegelförmige, selbsttragende Kuppel der beschriebenen Art mit einer gewissen Wölbung zu versehen beruht auf der Notwendigkeit, die Möglichkeit des "Wobbeins" zwischen benachbarten, von der Spitze bis zur Basis verlaufenden Holmen zu vermeiden und der Notwendigkeit, es so schwierig wie möglich zu machen, daß eine Ecke zwischen vier aneinandergrenzenden Segmenten durch einen nach innen gerichteten Druck auf diese Ecke nach innen gedruckt wird. Man stelle sich eine T-Profilkonstruktion vor, bei der sich geradlinige Holme von einer gemeinsamen Spitze zu einer polygonalen Basis erstrecken und waagerechte Streben in Abständen zwischen je zwei benachbarten Holmen angeordnet sind. Es sei angenommen, die Streben wurden nur den Zweck erfüllen, die Holme im richtigen Abstand voneinander zu halten, und würden zur Gesamtfestigkeit des Gebäudes sonst nichts beitragen. Bei einer solchen Konstruktion wäre es einfach, jeden beliebigen Holm in seiner Mitte nach ±nen zu drücken, und je nach der Biegesteifigkeit des Holms wäre es nicht schwer, die Mitte des Holms über eine gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden rechts und links benachbarten Holmen hinaus nach innen zu drücken.

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Wenn das erfindungsgemäße Gebäude nur eine unmerkliche Konvexität hätte und dadurch dem soeben beschriebenen gedachten T-Profilgebäude angenähert wäre, wäre es einfach, das Gebäude durch einen leichten Druck auf die Mitte eines der Sektoren einstürzen zu lassen, und dies muß natürlich vermieden werden. Deshalb wird das erfindungsgemäße, in Segmente unterteilte Gebäude vorzugsweise so gebaut, daß das tatsächliche Profil eines gegebenen Sektors außerhalb eines gedachten Kreisbogens liegt, der die Enden des Sektors enthält und dessen Mittelpunkt in bezug auf eine gerade Verbindungslinie zwischen den Enden des Sektors nach außen um eine Strecke versetzt ist, die wenigstens 6% der Länge der geraden Verbindungslinie beträgt. Es ist unwahrscheinlich, daß das Bedürfnis auftreten könnte, ein Gebäude der beschriebenen Art so zu gestalten, daß die kritische Kurve nicht außerhalb des eben beschriebenen gedachten Kreisbogens liegt. Deshalb wird das Gebäude vorzugsweise so gestaltet, daß das tatsächliche Profil eines gegebenen Sektors zwischen der kritischen Kurve und dem eben beschriebenen gedachten Kreisbogen liegt, vorzugsweise näher an dem gedachten Kreisbogen als an der kritischen Kurve.

Bei der in Fig. 1 bis 6 gezeichneten Ausführungsform liegt der Mittelpunkt des Liniazuges, der die von je zwei benachbarten Segmentplatten gebildeten Scheitel des tatsächlichen Profils enthält, außerhalb der geraden Verbindungslinie zwischen den Enden des Sektors, und zwar um eine Strecke, die etwa 6,4% der Länge dieser geraden Verbindungslinie beträgt. Daraus ist ersichtlich, daß das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel der Bedingung genügt, daß das Profil außerhalb des oben beschriebenen, gedachten Kreisbogens liegt.

Es ist außerdem sehr wünschenswert, daß ein Gebäude der beschriebenen Art eine hinreichend scharfe Spitze hat, damit die Schneelasten gering gehalten werden. Dies ist naturge-

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maß besonders wichtig bei einem Gebäude mit geringem Sicherheitsfaktor, bei dem die Scheitel zwischen benachbarten Segmentplatten eines Sektors in der Nähe der kritischen Kurve liegen. Dem Werk von Kent: Meclenicel Engineers Handbook, 11. Auflage sind die folgenden Daten über Schneelasten zu entnehmen: Für Neigungen bis 20° in bezug auf die Horizontale 30 Pfund je Quadratfuß der horizontalen Projektion der Dachfläche; für Neigungen über 45° braucht keine Schneelast berücksichtigt zu werden; für Neigungen zwischen 20 und kann die Schneelast in linearem Verhältnis von 30 auf 0 Pfund je Quadratzoll horizontal projizierter Dachfläche vermindert werden. In der Praxis wird es als wünschenswert angesehen, daß die Sektoren eines Gebäudes zu einer Spitze konvergieren, deren Neigung mindestens 30° in bezug auf die Horizontale beträgt, wodurch das Risiko möglichst gering gehalten wird, daß eine Schneelast die wirksame kritische Kurve bis zum tatsächlichen Sektorprofil nach innen verlegt.

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Claims

Ansprüche

Zerlegbares Gebäude aus vorgefertigten Platten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebäude (10) mehrere sich längs eines Polygons auf einem Unterbau (12) oder Fundament abstützende, nach oben konvergierende und nach innen

geneigte Sektoren (14) aufweist, die durch Schnitte mit mehreren in senkrechten Abständen übereinanderliegend gedachten waagerechten Ebenen in Segmentplatten (17,18...23,24) unterteilt sind, von denen die von je zweien dieser waagerechten Ebenen begrenzten Segmentplatten einen Segmentplattenring (117,118...123,124) bilden, und von denen jede Segmentplatte eben ist und die Form eines Trapezes hat, dessen oberer und unterer Rand (Querriegel 48,49) parallel sind, dessen beide Seitenränder (Seitenholme 47) gleichlang sind und konvergieren und dessen spitze Winkel zwischen dem unteren Rand und jedem der Seitenränder von einer Segmentplatte zur nächstoberen abnehmen, so daß jeder Sektor eine geringfügige Wölbung nach außen aufweist, die jedoch geringer ist als diejenige Wölbung, bei der einer der Segmentplattenringe einer nach außen gerichteten resultierenden Kraft ausgesetzt wäre.
2. Gebäude nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren (14) an ihren oberen Enden (53) eine Öffnung freilassen, die mit einer Kappe (26) abschließbar ist.

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3. Gebäude nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Segmentplatte (17,18...23,24) einen Rahmen (45) aufweist, an dem eine Tafel (44), Scheibe oder Folie befestigt ist.
4. Gebäude nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (45) benachbarter Segmentplatten (17, 1b...23,24) aneinander befestigt sind.
5. Gebäude nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den senkrechten und/öder den waagerechten Rändern benachbarter Segmentplatten (17,18 ...23,24) je eine Dichtung (54) eingespannt ist.
6. Gebäude nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sektoren (14) zumindest annähernd die gleiche Basislänge aufweisen, und daß das Polygon, längs dessen sie sich am Unterbau (12) abstützen, zumindest annähernd regelmäßig ist.
7. Gebäude nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil jedes einwärts geneigten Sektors (14) aus Segmentplatten (17,18...23,24) zwischen einer geraden Linie und der für diesen Sektor kritischen gekrümmten Linie liegt und von beiden abweicht, wobei die kritische gekrümmte Linie für einen bestimmten Sektor definiert ist als der geometrische Ort_; auf dem die Verbindungen der Gelenkplatten liegen müssen, damit in den Segmentplatten statisches Gleichgewicht unter der Annahme herrscht, daß diese ein ortsfestes jedoch gelenkiges Auflager an ihrer Basis und ein reibungsfreies senkrechtes Schiebelager an ihrem oberen Ende aufweisen.

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8. Gebäude nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daf3 die kritische gekrümmte Linie außerhalb eines gedachten Kreisbogens liegt, der durch die Enden des betreffenden Sektors (14) verläuft und dessen Mittelpunkt in bezug auf eine gerade Verbindungslinie zwischen den Enden des Sektors nach außen um eine Strecke versetzt ist, die zumindest 6% der Länge dieser geraden Verbindungslinie beträgt, und daß das Profil des Sektors zwischen der kritischen gekrümmten Linie und dem gedachten Kreisbogen verläuft und zwar näher am gedachten Kreisbogen als an der kritischen Linie.
9. Gebäude nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil jedes einwärts geneigten Sektors (14) eine Kurve beschreibt, deren Mittelpunkt in bezug auf eine gerade Verbindungslinie zwischen den Enden des Sektors nach außen um eine Strecke versetzt ist, die etwa 6,5% der Länge dieser Verbindungslinie beträgt.
10. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren (14) mit

einer Neigung von mindestens 30% gegen die Waagerechte zu einer Spitze (15) konvergieren.

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