DE2516895A1 - Monocoque low-slope trigonal domes for roofs - with mathematically exact minimal surfaces, assembled alternately above and below structure field - Google Patents

Monocoque low-slope trigonal domes for roofs - with mathematically exact minimal surfaces, assembled alternately above and below structure field

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DE2516895A1 DE19752516895 DE2516895A DE2516895A1 DE 2516895 A1 DE2516895 A1 DE 2516895A1 DE 19752516895 DE19752516895 DE 19752516895 DE 2516895 A DE2516895 A DE 2516895A DE 2516895 A1 DE2516895 A1 DE 2516895A1
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Abstract

System involving cable bracing held in equilibrium, can be combined with trigonal three-dimensional structural systems for mass production, the object being to provide simplified construction of geodetic domes or flat roofs (1) by means of trigonal bar lattice structure, in single-skinned layout and over wide spans. The dome or flat roof surface makes use of the static qualities of mathematically precise minimal surfaces (2), serving as external and internal skin, to take over all the tension forces of the trigonal three-dimensional structure coming together at the points of tetrahedrons (3) or similar. For this purpose they are assembled, with lever action, alternately on the upper and lower side of the single-skin trigonal structure field.

Description

Technische Bezeichnung der Erfindung: Verfahren zur Herstellung einschaliger trigonaler Kuppeln mit geringem Heigungswinkel unter Ausnutzung der statischen Eigenschaften annähernd mathematisch exakter Minim@lflächen als Dachhaut. Auch geeignet für Flachdächer.Technical name of the invention: Process for the production of single-shell Trigonal domes with a low angle of inclination, taking advantage of the static properties approximately mathematically exact minimum areas as roof cladding. Also suitable for flat roofs.

a ) Anwendungsgebiet: Alle Bereiche der Technik und Architektur, in denen trigonale Raumfachwerk-Kuppeln oder auch -Flachdächer eingesctzt werden können. Besondere Eighung zur stützenfreien Überdachung großer Spannweiten.a) Area of application: All areas of technology and architecture, in which trigonal space frame domes or flat roofs can be used. Particularly suitable for column-free roofing of large spans.

b ) Stand der Technilc: Trigonale Kuppeln großer Spannweite und somit geringen Neigungswinkels zwischen zwei I"ldern können nach deiil bisherigen Stand der Technik mit trigonalen Raumfachwerken nicht einschalig hergestellt werden, da die Gefahr des statischen Durchknickens zwischen zwei Trigonal-Feldern mit Winkel, welcher gering von 180° abweicht, bei Belastung besteht. Zweischalige trigonale Raumfachwerk - Kuppeln (geodätische Kuppeln) benötigen bis@er Sonderlängen an Stabmaterial. Die Außenhaut der Jeodätischen Kuppeln und auch eine vorgehängte Innendecke wurden nach dem Stand der Techiiik bisher nicht in die Statik der geodätischen Kuppeln integriert.(Lit.: MERO, Dr.Ing.kengeringhausen, Würzburg, und: R.Buckminster Fuller USA - gleichnamiges Buch deutsch von Otto Maier-Verlag Ravensburg 1964 Nr. 60.116 - ) c ) Darstellung der Erfindung: Die Erfindung beruht auf der Vereinigung des "Tensegrity" Systems Buckminster Fuller's (Tensegrity = durch Seilspannung im Gleichgewicht gehaltene Druckstäbe) mit den in der Großserie überlegeneren trigonalen Raumfachwerk Systemen wie z.B. MERO, welche letzteren nicht zwischen Zug- und Druckkräften unterscheiden. Zur Anwendung kommen kann auch die eigene Anmeldung kr. P 25 11 938.4 für ein Gerüstbausystem mit Knoten in Igelform, welche bereits in Zug- und Druckkräfte unterscheidet. Die Vereinigung der Systeme wird erreicht dadurch, dag auf der einschaligen yeodätischen Stabfachwerk-Kuppel abwechselnd auf je einem Gberfeld und einem Ünterfeld Tetraeder aus Stabfachwerk errichtet werden, zwischen deren durch drei Trigonalfelder gebildeten Begrenzungen annähernd mathematisch exakte Minimalflachen eingehängt und verspannt werden. Diese "Minimalflächen" übernehmen als Außenhaut und als abgehängte Innendecke sämtliche Zugkräfte der geodätischen Kuppelkonstruktion, während das Stabfachwerk lediglich Druckbeanspruchung ( mit Ausnahme des Kuppelrandes ) aufweist. Hierbei kann die Außenhaut mit entsprechender Innenhaut in Form von Minimalflächenfeldern ( nach Pat.Nr. 24 39 597.9, eigne Anmeldung) zum Beispiel aus formgepresstem Aluminiumblech oder tiefgezogenen Plexiglasflächen bestehen.b) State of Technilc: Trigonal domes of large span and thus according to the previous state of the art the technology with trigonal space frameworks cannot be produced as a single shell, since the risk of static buckling between two trigonal fields with angles, which deviates slightly from 180 °, exists under load. Double-shell trigonal Space framework - domes (geodesic domes) require up to special lengths of rod material. The outer skin of the Jeodetic domes and also a curtain ceiling were made not yet in the statics of geodesic domes according to the state of the art integrated. (Lit .: MERO, Dr.Ing.kengeringhausen, Würzburg, and: R.Buckminster Fuller USA - book of the same name in German by Otto Maier-Verlag Ravensburg 1964 No. 60.116 -) c) Presentation of the invention: The invention is based on the union of Buckminster Fuller's "Tensegrity" system (Tensegrity = balanced by rope tension held pressure rods) with the trigonal space framework, which is superior in large-scale production Systems such as MERO, which do not differentiate the latter between tensile and compressive forces. You can also use your own registration kr. P 25 11 938.4 for a scaffolding system with knots in the shape of a hedgehog, which differentiates between tensile and compressive forces. the The unification of the systems is achieved by dag on the single-shell yeodetic Bar framework dome alternating on a Gberfeld and an Unterfeld Tetrahedron be built from bar framework, between them by three trigonal fields formed boundaries approximately mathematically exact minimal surfaces hung and be tense. These "minimal areas" act as the outer skin and as a suspended one Inner ceiling all tensile forces of the geodesic dome construction, while the Bar framework shows only compressive stress (with the exception of the dome edge). Here, the outer skin can have a corresponding inner skin in the form of minimal area fields (according to Pat. No. 24 39 597.9, own application) for example made of compression-molded aluminum sheet or deep-drawn Plexiglas surfaces.

d ) Aufgabe: Aufgabe der Erfindung ist die problemlose Herstellung von geodätischen Kuppeln oder Flachdächern mittels trigonalem Stabfachwerk in einschaliger Ausführung bei großer erreichbarer Spannweite.d) Task: The task of the invention is problem-free production of geodesic domes or flat roofs by means of trigonal bar framework in single-shell Execution with large achievable span.

e ) Lösung: Diese Auf gabe wurde erfindungsmdßig dadurch gelöst, daß ein geodätisches Netz von gleichseitigen Dreiecken aus Knotenstücken und Normstaben gebildet wird, in welchem je drei an den Eckpunkten zusammenstoßende gleichseitige Dreiecke unter Auslassung des dazwischen liegenden Dreiecks mit gleichschenkligen Tetraedern der nächst kürzeren Normstablänge der geometrischen Reihe mit Faktor bestückt werden. Das gleiche Vorgehen an der Unterseite des Netzes aus gleichseitigen Dreiecken bewirkt, daß nunniehr alle Zugliräfte an den als Hebel wirksamen Spitzen der gleichschenkligen Tetraeder liegen. Versieht man nun die Raumknoten mit einem hakenförmigen Ansatz-Stück, so kann man die vorgefertigten Minimalflächen, welche die Grundform eines räumlichen Sechsecks mit 90 ° Winkeln (nicht 102 °! ) aufweisen an ihren Eckpunkten mittels Karabinerhaken und Spannschlössern einhängen und anspannen. Spannt man auf der Ober- und Unterseite nur so weit, daß vom 90 ° Winkel nicht abgewichen wird, so erhalt rnan eine ebene Tragfläche. Spannt man so, daß sich zwischen "Minimalflächen"-kante und Rohrkonstruktion ein geringer Winkel bildet, so erhölt man bereits eine einschalige Kuppel. sei der Kuppelbildung tritt in Knotenstück eine geringe Abweichung vom Normwinkel ein, welchen man - ohne Sonderknoten wählen zu müssen - unter Kontrolle bringt, wenn man bei Verwendung der igelförmigen Raumknoten (P 25 11 938.4) Stabmaterial mit etwas Toleranz auf die Zapfen steckt.e) Solution: According to the invention, this problem has been solved in that a geodetic network of equilateral triangles made up of nodes and standard letters is formed in which three equilateral colliding at the corner points Triangles omitting the triangle in between with isosceles Tetrahedra of the next shorter standard rod length of the geometric series with a factor be populated. Do the same on the underside of the mesh from equilateral Triangles have the effect that all traction forces are now applied to the tips that act as levers of isosceles tetrahedron. If you now provide the space nodes with a hook-shaped approach piece, so you can use the prefabricated minimal surfaces, which have the basic shape of a spatial hexagon with 90 ° angles (not 102 °!) Attach and tighten at their corner points using snap hooks and turnbuckles. The top and bottom are only stretched so far that they do not deviate from the 90 ° angle then get a flat wing. You stretch it in such a way that there is an edge between "minimal surfaces" and the pipe construction forms a small angle, you get a single-shell Dome. If the dome is formed, there is a slight deviation from the standard angle in the junction one that can be brought under control - without having to choose special nodes, when using the hedgehog-shaped space nodes (P 25 11 938.4) rod material sticks on the tenons with a little tolerance.

Die Tetraeder bleiben bei jeder Kuppelneigung fest fixiert, die Stablänge bleibt immer gleich.( z.B. Länge 1 Heter ) Die Stablänge der gleichseitigen Dreiecke nimmt dagegen mit wachscnder Kuppolkrimmung ab (<#2 = kleiner als 141,4 cm) was aber bei Kuppeln mit großem Durchmesser und daher geringem Neigungswinkel vernachlässigt werden kann. Der Winkel der räumlichen Sechseck-Minimalflächen bleibt an jeder zweiten Ecke 900, muß aber bei stärkerer kuppelkrümmung an den dazwischen liegenden Ecken geändert werden. In jeden Falle wird aber eine große Zahl gleichbleibender Teile für die Dachhaut und die abgehängte Decke benötigt, sodaß sich Großserien-Fertigung lolxlt.The tetrahedra remain firmly fixed with every dome inclination, the rod length always remains the same (e.g. length 1 heter) The bar length of the equilateral triangles on the other hand, it decreases with increasing cupola curvature (<# 2 = less than 141.4 cm) but neglected for domes with a large diameter and therefore a small angle of inclination can be. The angle of the spatial hexagon minimum surfaces remains at every second Corner 900, but must be at the corners in between if the dome is more curved be changed. In any case, however, there will be a large number of constant parts required for the roof skin and the suspended ceiling, so that large-scale production lolxlt.

Zusammenfassung: je größer die Kuppel-Spannweite und je geringer damit der Neigungswinkel zwischen den Feldern, desto rationeller und unproblematischer ist die Herstellung einschali ger Kuppeln mit tatisch integrierter"Minimalflächen"-Außen- und Innenhaut. Gleichbleibende Spezialprofile müssen zur Abdichtung der "Minimalflächen" eingefügt wer den.Summary: the larger the dome span and the smaller it is the angle of inclination between the fields, the more rational and unproblematic is the production of single-shell domes with integrated "minimal areas" -external- and inner skin. Constant special profiles must be used to seal the "minimal areas" are inserted.

f ) reitere Ausgestaltung der Erfindung: das dargelegte Prinzip ersc?eint auch bei allen von der trigonalen Grundform abgeleiteten Raumfachwerk-Losungen als anwendbar und soll im Zuge der weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf diese Forilen hin untersucht werden. Die technischen Details der Abdichtung und des günstigsten Materialeinsatzes sollen im weiteren Aus bau untersucht und fixiert werden.f) broader embodiment of the invention: the principle presented is identical also for all space frame solutions derived from the trigonal basic form as applicable and should in the course of the further development of the invention on these foriles to be examined. The technical details of waterproofing and the cheapest The use of materials should be examined and fixed in the further development.

g ) erzielbare Vorteile der Erfindung: Durch die statische Integrierung von Dachhaut und abgehängter Decke in Minimalflächen unterteilt, ergeben sich folgende wirtschaftliche und technische Vorteile: 1.) Bei jede Feld der einschaligen Kuppel werden mindestens drei Stablängen, vornehmlich in Sonderabmessungen eingespart.g) achievable advantages of the invention: Due to the static integration Divided into minimal areas by the roof cladding and suspended ceiling, the following result economic and technical advantages: 1.) For each field of the single-skin dome at least three bar lengths are saved, primarily in special dimensions.

2 ) Da alle Zugkräfte ( mit Ausnahme der Bodenverankerung) von "Minimalflächen" übernormnen werden, kann auf ein einfacheres Raumfachwerk-System zurückgegriffen werden.( z.B.2) Since all tensile forces (with the exception of the ground anchoring) from "minimal areas" a simpler space frame system can be used become. (e.g.

Pat.Nr. P 25 11 938.4 3 ) Die Montagearbeit vereinfacht sich, da nicht alle Teile geschraubt, bzw. verschweißt werden müssen.Pat. No. P 25 11 938.4 3) The assembly work is simplified because it is not all parts have to be screwed or welded.

4 ) Es entsteht eine reich gegliederte Dachform, welche sich durch die Tatsache, daß sie Bestandteil der Statik ist, und dadurch Stabmaterial iiil Vergleich zur einfachsten zveiscilaligen Lösung eingespart wird, zumindest teilweise selbst finanziert. Eine wie auch immer gestaltete Außenhaut wird ja auf jeden Fall benötigt.4) The result is a richly structured roof shape, which extends through the fact that it is part of the statics, and thereby rod material iiil compared to the simplest double-sided solution is saved, at least partially self-financed. An outer skin, however designed, will open up any case needed.

5 ) Er ist erstmals möglich, einschalige geodädische KuppelIl geringen Neigungswinkels und ebensolche Flaclldacher herzustellen. Dies bezogen auf hinschaligkeit des Raumfachwerks.5) It is possible for the first time, single-skin geodesic domeIl small Inclination angle and the same type of Flaclldach. This related to the shell of the space framework.

6 ) Die geodädischen Kuppeln geringen Neigungswinkels mit "Minimalflächen" - Eindeckung benötigen nur eine Normknoten und zwei Normstablängen.6) The geodesic domes with a low angle of inclination with "minimal surfaces" - Covering only requires one standard node and two standard bar lengths.

7 ) Die aus räumlichen "Minimalflächen"-Sechsecken gebildeten Dachelenente sind im Idealfall Innen und Außen gleich und erlauben so Großserien-Fertigung. Auch bei Abwandlung jedes zweiten rechten Winkels kommen noch große gleiche Stückzahlen in Frage.7) The roof elements formed from spatial "minimal surface" hexagons are ideally the same inside and outside and thus allow large-scale production. Even if every second right angle is modified, the same number of items will be produced in question.

8 ) Der durch die Doppel-Zug-Decke gebildete Hohlraum kann zur Verlegung von Installationsleitungen genutzt werden und dient der Isolieruny der Kuppel.8) The cavity formed by the double-tension ceiling can be used for laying used by installation lines and serves to isolate the dome.

h ) Nachteile der Erfindung: Bei stärkerer Kuppelkrümmung eryeben sich Abweichungen von der Idealform der "Minimalflächen"-Dachelemente durch Winkelabweichung zwischen Außen- und Innenverkleidutlg. Es werden dann mindestens zwei verschiedene Formteile nötig.h) Disadvantages of the invention: eryeben with greater dome curvature Deviations from the ideal shape of the "minimal surface" roof elements are due to angular deviation between exterior and interior cladding. There will then be at least two different ones Moldings necessary.

Bei sehr geringer Kuppelkrüëmmung dagegen wird es nötig, Regenwasser in jedem, sich zwischen drei "Minimalflächen"-Dachelementen bildenden Tiefpunkt durch ein System von Entwässerungs-Schläuchen nach Innen abzuleiten. Schneemassen müssen in diesem Fall durch Warmluft iiu Dachhaut-Zwischenraum abgetaut werden.If the dome curvature is very small, however, it is necessary to use rainwater in each low point between three "minimal surface" roof elements through a system of drainage hoses inside. Masses of snow must in this case be defrosted with warm air in the space between the roof cladding.

i ) Beschreibung zu den Zeichnungen: Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf das aus gleichseitigen Sechsecken gebildete Kuppel- oder Flachdach. 1) Die doppel umrandete Fläche bezeichnet die Lage einer "Minimal"-Fläche. 2) Nach Außen aufgesetzte rechtwinklige Tetraeder. 3) Die gestrichelten Linien zeigen die nach Innen aufgesetzten rechtwinkligen Tetraeder, Fig. 2 zeigt in Abwandlung die gleiche Anwendung bei rautenförmigem Grundriss. 1) zeigt die Lage einer "Minimalflächen"-Einheit. 2) zeigt die Lage der nach Außen aufgesetzten TIalboktaeder.i) Description of the drawings: Fig. 1 shows the plan view the dome or flat roof formed from equilateral hexagons. 1) The double bordered area denotes the position of a "minimal" area. 2) Attached to the outside right-angled tetrahedron. 3) The dashed lines show those placed on the inside right-angled tetrahedron, Fig. 2 shows a modification of the same application in diamond-shaped Layout. 1) shows the position of a "minimal area" unit. 2) shows the location of the TIal octahedron attached to the outside.

3) zeigt die Lage (gepunktete Linie) der nach Innen aufgesetzten Halboktaeder.3) shows the position (dotted line) of the semi-octahedra placed on the inside.

Fig.3 zeigt Fig. 1 im Schnitt. 1) zeigt den als Flachdach gezei@hneten Bereicn der bei 2) nahtlos in verschiedene kuppelkrummungen @bergehen kann. Dies wird auch durch die eingezeichneten Scheitelwinkel verdeutlicht. Das bisher gefürchtete Durchknicken einschaliger Stabfachwerk-Konstruktionen wird mit Sicherheit vermieden.3 shows FIG. 1 in section. 1) shows the one drawn as a flat roof Area which in 2) can seamlessly transition into different dome curvatures. this is also made clear by the vertex angles shown. The previously feared Buckling of single-shell bar framework constructions is definitely avoided.

Fig. 4 zeigt eine maßstabslos vergrößerte Darstellung von Fig. 3. 1) zeigt die verst@rkte "Minimalflächen"-Umrandung, 2) die "ninimalflächen"-Haut, 3) zeigt den igelförmigen knoten mit Haken-Aufsatz, 5) zeigt die Abdeckung zwischen zwei Feldern, 4) zeigt die Spannschlösser, 6) zeigt die leichte Differenz zwischen "Minimalflächen"-Element von 90° und dem Stabfachwerk bei leichter Abweichung des Winkels von 180°.FIG. 4 shows an enlarged representation of FIG. 3 without any scale. 1) shows the reinforced "minimal area" border, 2) the "minimal area" skin, 3) shows the hedgehog-shaped knot with hook attachment, 5) shows the cover between two fields, 4) shows the turnbuckles, 6) shows the slight difference between "Minimal surface" element of 90 ° and the bar framework with a slight deviation of the Angle of 180 °.

Claims (3)

# 3a Patentansprüche:# 3a claims: 1. im Hauptanspruch als patentfähig unter Schutz gestellt werden soll: Verfahren zur Herstellung einschaliger trigonaler Raumfachwerk-Kuppeln mit geringem Heigungswinkel und großer Spannweite und eoensolcner Flachdächer, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung der statischen Eigenschaften annähernd mathematisch exakter Minimalflächen die als Außen- und Innenhaut ausgebildete Kuppel- oder Flachdachoberfläche sämtliche Zugkräfte des trigonalen Raumfachwerks übernimmt, welche an den Spitzen von Tetraedern (oder Oktaedern usw.) gesammelt auftreten, sofern diese hebelwirksam abwechselnd auf der Ober- und Unterseite des einschaligen trigonalen Raumfachwerks-Feldes montiert werden.1. is to be protected as patentable in the main claim: Process for the production of single-shell trigonal space frame domes with low Angle of inclination and large span and similar flat roofs, characterized in that that using the static properties approximately mathematically more exact Minimal areas, the dome or flat roof surface designed as an outer and inner skin all tensile forces of the trigonal space framework take over those at the tips collected by tetrahedra (or octahedra, etc.), provided that they have a leverage effect alternately on the top and bottom of the single-shell trigonal space framework field to be assembled. 2.) im Unteranspruch soll unter Schutz gestellt werden, daß das gleiche Verfahren auch bei anderen, als in der Zeichnung dargestellten Variationen des trigonalen Raumfachwerksystems angewandt werden kaum.2.) in the sub-claim should be placed under protection that the same Procedure also for other variations of the trigonal than those shown in the drawing The space frame system is rarely used. Desgleichen soll in Unteranspruch unter Schutz gestellt werden die Ausführung mit nur einer Dachhaut ohne Unterdecke, sei es, daß die Unterhaut durch Seile ersetzt wird, oder in Falle eines angenäherten Ikosaeders das Durchknickmoment nicht gegeben ist.Likewise, should be placed under protection in subclaims Execution with only one roof skin without a sub-ceiling, be it that the sub-skin is through Ropes are replaced, or in the case of an approximated icosahedron, the buckling moment is not given. 3.) Im Nebenanspruch sollen noch näher zu erläuternde Zubehörteile, wie Abdeckprofile, insbesondere das haken-oder Ringförmige Zusatzteil für die verschiedenen Stabfachwerks-Enoten Fig.4, 3) unter Schutz gestellt werden.3.) In the secondary claim, accessories to be explained in more detail, such as cover profiles, in particular the hook-shaped or ring-shaped additional part for the various Rod framework enotes Fig. 4, 3) are placed under protection.
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