EP1606478B1 - Bogenartiger träger aus einem pneumatischen bauelement - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einem bogenartigen Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement bzw. eine aus pneumatischen bogenartigen Trägern bestehende Brückentragkonstruktion nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Anspruchs 10. Mehrere Bauwerke oder Konstruktionen sind bekannt, beispielsweise aus US 3,894,307 (D1 ) hinsichtlich Brückenbauten, und FR 2 741 373 (D2 ) und EP 1 191 168 (D3) hinsichtlich mehr zeltartiger Bauwerke. Mit Blick auf strukturelle Elemente der vorliegenden Erfindung stellt WO 01/73245 (D4) den nächstliegenden Stand der Technik dar.
• Die in D1 offenbarte Brücke weist, wie jedes so geartete Bauwerk, zwar eine auf Druckkräfte beanspruchte Brückenplatte und auf Zugkräfte beanspruchte Zugbänder auf; ferner sind pneumatische Elemente vorhanden. Diese letzteren üben jedoch lediglich Stützfunktionen aus, ohne weiter stabilisierend beansprucht zu werden.
• In D2 sind druckbeaufschlagbare begrenzt dehnbare Rohre offenbart, welche mittels eines einseitig entlang einer Mantellinie aufgebrachten und auf Zugkräfte beanspruchten Bandes in ihrer Dehnbarkeit begrenzt werden. Bei Druckbeaufschlagung ergibt sich wegen des so entstehenden und pro Längeneinheit konstanten Biegemomentes ein Kreissegment. Damit sollen Tragelemente für Zeltbahnen gefertigt werden. Mit den genannten Bändern wird jedoch lediglich die Form der angestrebten Bögen definiert, ohne dass die Steifigkeit und Tragkraft der beschriebenen pneumatischen Elemente erhöht werden kann.
• D3 beschreibt ein Fachwerk aus aufblasbaren Rohren, dessen Tragkraft und Steifigkeit lediglich durch Fachwerkeigenschaften definiert wird. Abgesehen von textiltechnischen Überlegungen werden keine Massnahmen beschrieben, um die Biegesteifigkeit und die transversalen Tragkräfte der beschriebenen Rohre zu erhöhen.
• Aus D4 ist bekannt, dass die dort offenbarten pneumatischen Elemente in beschränktem Masse bogenförmig ausgeführt werden können. Hingegen bleibt offen, wie stark gebogene Elemente ausgeführt werden können.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von pneumatischen Bauelementen, welche im druckmittelbeaufschlagten Zustande biegesteif sind, in verschiedenster Weise bogenförmig gestaltet werden können und dabei grosse Knicklasten aufzunehmen im Stande sind.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. 10 hinsichtlich ihrer wesentlichsten Merkmale, in den weiteren Ansprüchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausbildungen. Anhand der beigefügten Zeichnungen wird der Erfindungsgegenstand näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1

eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbei- spiels eines tragende bogenartige Trägers,

Fig. 2a, b

zwei Querschnitte eines flexiblen pneumatischen Bauelementes,

Fig. 3a-e

einen ersten Weg zur Fertigung eines erfindungs- gemässen tragenden bogenartige Trägers,

Fig. 4

ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5

ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 6

eine Anwendung des erfindungsgemässen bogenartige Trägers,

Fig. 7

einen zweiten weg zur Fertigung eines erfindungs- gemässen tragenden bogenartige Trägers,

• Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen pneumatischen Bauelementes. Es besteht aus einer luftdichten Hülle 1 aus textilem Material. Diese kann entweder durch eine vorzugsweise innere Beschichtung (nicht dargestellt) gedichtet oder, im Sinne von Funktionstrennung, mehrschichtig aufgebaut sein; beispielsweise ist in die textile Hülle 1 ein flexibler oder elastischer und gasdichter Schlauch eingelegt (ebenfalls nicht dargestellt), wie aus D4 bekannt. Auf dem Aussenbogen des hier bogenförmigen pneumatischen Bauelementes ist ein Druckstab 2 befestigt, vorzugsweise so, dass er auf seiner ganzen Länge und Breite mit dem Material der Hülle 1 verklebt oder verschweisst ist oder durch andere Massnahmeh so verbunden ist, dass er die Umlaufspannung σ_u übernehmen kann. Der Druckstab 2 endet in zwei Knotenelementen 3, mit welchen er kraftschlüssig verbunden ist. In den Knotenelementen 3 ist mindestens ein Paar von Zugbändern 4 ebenfalls kraftschlüssig befestigt. Lediglich zur bessern Sichtbarkeit sind die Zugbänder 4 durch verschiedene Signaturen dargestellt.
• Wird das bogenförmige pneumatische Bauelement durch eine Kraft - in Fig. 1 durch einen Vektorpfeil F symbolisiert - belastet, so wird das Bogenäussere zusätzlich auf Druck belastet, wobei der Druckstab 2 diesen Druck aufnimmt und durch die druckmittelbeaufschlagte Hülle 1 und die - Zugkräfte ausübenden - Zugbänder 4 in seinem Biege- und Knickverhalten stabilisiert ist. Das bogenförmige pneumatische Bauelement gemäss Fig. 1 kann mit geeigneten, an den Knotenelementen 3 befestigten und an sich bekannten Stütz- oder Fusselementen als Tragebogen für eine Überdachung eingesetzt werden, wie an sich bekannt. Selbstverständlich ist es möglich, hierzu am Druckstab geeignete Elemente anzubringen, die gestatten eine solche erfindungsgemässe Überdachung in einer, auf der Ebene des Bogens gemäss Fig. 1 senkrecht stehenden Richtung, praktisch unbeschränkt zu verlängern. Dazu wird eine Vielzahl von bogenförmigen pneumatischen Bauelementen gemäss Fig. 1 entweder parallel zueinander oder in einer sonst geeigneten Aufstellung mit einander zu verbinden und mit einer passend geschnittenen Plane zu überziehen.
• Fig. 2a, b sind Darstellungen des erfindungsgemässen flexiblen pneumatischen Bauelementes im Querschnitt; Fig. 2a zeigt es im schlaffen, Fig. 2b im druckluftbeaufschlagten Zutande. Das pneumatische Bauelement besteht aus der flexiblen Hülle 1, auf welche einseitig der Druckstab 2 in der Form einer flexiblen Platte aus einem druckfesten Material beispielsweise vollflächig aufgeklebt ist.
• Im unaufgeblasenen Zustand ist der Druckstab 2 flach, was gestattet, das pneumatische Bauelement einzurollen und im eingerollten Zustande zu transportieren. Wird das leere und schlaffe - und allenfalls eingerollte - pneumatische Bauelement nun mit Druckluft über ein Ventil 6 beaufschlagt, so entrollt es sich zuerst und nimmt dann im ausgerollten, jedoch noch schlaffen Zustande langsam die in Fig. 2b gezeigte Querschnittsform an. Dabei wird der Druckstab 2 in die gezeigte Form eines Zylindersegmentes gebogen. Gleichzeitig wird auf der Hülle eine tangentiale Umlaufspannung σ_u aufgebaut, wobei gilt $${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{u}}\mathrm{=}\mathrm{p}\mathrm{\cdot }\mathrm{R}\left[\mathrm{N}\mathrm{/}\mathrm{m}\right]$$

  
• p = Innendruck des pneumatischen Bauelementes [N/m²]
• R = Radius des pneumatischen Bauelementes [m]
• Diese Zugspannung σ_u überträgt sich über die Verbindung des Druckstabes 2 mit der Hülle 1 auf den Druckstab 2, dergestalt dass auch dieser von σ_u gespannt ist. Dadurch wird das Flächenträgheitsmoment des Druckstabes erhöht und die Knicklast vergrössert.
• Zur Herstellung eines bogenartigen Trägers gemäss Fig. 1 aus einem pneumatischen Bauelementes wird beispielsweise so vorgegangen, wie anhand der Fig. 3a - e beschrieben ist.
• Der bogenartige Träger gemäss Fig. 1 ist als flexibles Bauelement konzipiert, welches im leeren - also drucklosen - Zustand platzsparend gefaltet oder gerollt werden kann. Ferner liegt es im Erfindungsgedanken, ein solches Bauelement gebrauchsfertig auf einer Baustelle anliefern zu können. Dies ist mit einem Druckstab 2 möglich, welcher durch die Verformung der Hülle 1 vom leeren zum druckbeaufschlagten Zustande sein Flächenträgheitsmoment wegen der Biegung ändert. In einem ersten Arbeitsgang wird die luftdichte Hülle 1 auf den vorgesehenen Betriebsdruck gebracht, wodurch ihre Länge durch die Dehnung des textilen Materials um einen Betrag Δℓ zunimmt (Fig. 3a, b). Anschliessend wird die druckbeaufschlagte Hülle 1 über eine Schablone 5 in die beabsichtigte Form - hier ein Halbkreis - gebracht und mit an sich bekannten Mitteln fixiert. Mit verschiedenen Schablonen 5 können selbstverständlich mannigfaltige Bogenformen gebildet werden. Beispielsweise Bogen mit variablen Biegeradien, mit geraden Schenkeln wie in Fig. 7, aber auch asymmetrische Bogen, deren Schenkel nicht spiegelsymmetrisch sind. Im in Fig. 3d dargestellten Schritt wird der vorgebogene Druckstab 2 mit der Hülle 1 verklebt oder verschweisst und mit den vorgesehenen Knotenelementen 3 verbunden. Die Zugbänder 4 werden anschliessend ebenfalls an den Knotenelementen befestigt, um die Hülle 1 herumgelegt und gespannt, wodurch die Form des hier bogenartigen Trägers festgelegt ist. Um ein verschieben der Zugbänder 4 speziell im entlasteten Zustand des Bauelementes zu vermeiden können die Zugbänder 4 mindestens punktuell gegenseitig, mit der Hülle 1 und/oder dem Druckstab 2 fest verbunden werden. Im Anschluss daran kann die Hülle 1 wieder druckentlastet werden.
• Soll der bogenartige Träger, dessen Herstellung in Fig. 3a - e dargestellt ist, mit einem Druckstab 2 auf der Bogeninnenseite versehen werden, wie in Fig. 4 dargestellt, so können die Verfahrensschritte von Fig. 3c, d entsprechend vertauscht werden. Zuerst wird der vorgebogene Druckstab 2 auf die Schablone 5 gebracht und anschliessend die druckbeaufschlagte Hülle 1 mit dem Druckstab 2 verklebt.
• Durch Anbringen des Druckstabes 2 an der Innenseite des bogenartigen Trägers, wird die Dehnbarkeit der Hülle 1 an der Innenseite eingeschränkt. Bei Druckbeaufschlagung kann sich so die Hülle nicht gleichmässig ausdehnen und der Bogen entsteht. Ist der Druckstab auf der Bogenaussenseite angebracht, werden bei Druckbeaufschlagung der Hülle 1 in den Zugbändern 4 Zugkräfte erzeugt, welche die Hülle 1 zusammen mit dem flexiblen Druckstab durchbiegen und den Bogen bilden.
• Ist, wie in Fig. 4 dargestellt, der Druckstab 2 auf der Bogeninnenseite angeordnet, so ist zur vektoriellen Nullsummenbedingung in den Knotenelementen 3 unter allen Lastverhältnissen notwendig, dass ein äusseres Zugband 8 die beiden Knotenelemente 3 verbindet. Werden die Enden des bogenartigen Trägers verankert, kann selbstverständlich auf das äussere Zugband verzichtet werden.
• Eine weitere Variante zum in Fig. 3a - e dargestellten Herstellungsverfahren eines bogenartigen Trägers ist in Fig. 5 abgebildet. Hier ist sowohl aussen wie innen am bogenförmigen pneumatischen Bauelement ein Druckstab 2 angeordnet und mit den Knotenelementen 3 verbunden. Das äussere Zugband 8 kann daher entfallen. Der bogenartige Träger gemäss Fig. 5 ist sowohl auf positive als auch auf negative Biegemomente belastbar.
• Fig. 6 ist die schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Brückenbogens. Um eine funktionelle aus pneumatischen Bauelementen bestehende Brücke aufzubauen, werden je nach geforderter Nutzlast, zwei bis mehr solcher bogenartiger Träger nebeneinander gelegt und mit bekannten Mitteln gegeneinander gesichert. Bei grossen Lasten ist der Einsatz eines äusseren Zugbandes 8 angezeigt, um die Kräfte im pneumatischen Bauelement im materialmässig beherrschbaren Rahmen zu halten. Das Zugband 8 wird vorgespannt und der Druckstab in der Folge auf Druck belastet. Die bogenartigen Träger tragen gemeinsam eine Fahrbahnplatte derart, dass die Gewichtskräfte einer die Brücke überquerenden Last in die Druckstäbe eingeleitet werden und diese damit entlasten, sowie das äussere Zugband 8 weiter mit Zug belasten. Die Fahrbahnplatte wie auch alle bekannten Mittel aus Bauwesen und Maschinenbau sind in der Fig. 6 nicht dargestellt, da der Fachmann hiefür mannigfaltige Lösungen findet.
• In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Bauelementes dargestellt, in einem Ausschnitt aus einer Seitenansicht. Zwei Hüllen 1 mit je zwei Zugbändern 4 sind durch einen Rohrbogen 9 verbunden, welcher gleichzeitig als Knoten- und Verbindungselement dient. Der Druckstab 2 verläuft von der einen Hülle 1 über den Rohrbogen 9 zur nächsten Hülle 1. Selbstverständlich ist es denkbar und im Erfindungsgedanken mitenthalten, eine der Hüllen 1 - oder auch beide - an deren Ende wiederum mit einem gleichen Rohrbogen 9 zu versehen und den Druckstab 2 über diesen hinweg mit der weiteren Hülle 1 zu verbinden. Die einzelnen Hüllen 1 können bezüglich des Druckgases kommunizierend miteinander ausgeführt sein und stellen dann miteinander ein einziges Druckgefäss dar. Die andere erfindungsgemässe Lösung beruht darauf, jede Hülle 1 bezüglich des Druckgases von der benachbarten abzuschliessen, beispielsweise durch das Einziehen einer Trennwand (nicht dargestellt) in den Rohrbogen 9.

Claims (10)

1. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement bestehend aus mindestens einer mit Druckgas beaufschlagbaren Hülle (1), mindestens einem Druckstab (2), mindestens je einem Paar von Zugbändern (4) sowie je zwei Knotenelementen (3),
   wobei Mittel vorhanden sind, mit welchen das mindestens eine flexible pneumatische Bauelement unter Druckbeaufschlagung die Form eines tragenden Bogens annimmt und wobei der mindestens eine Druckstab (2) fest mit der Hülle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
   der mindestens eine Druckstab (2) biegeelastisch ist, plattenartige Form aufweist und
   im leeren Zustand des pneumatischen Bauelementes flach und rollbar ist.
2. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckstab (2) auf der Bogenaussenseite angebracht ist, und durch die Anordnung von mindestens einem Paar von Zugbändern (4) mit der Druckbeaufschlagung des pneumatischen Bauelementes Zugkräfte in den Zugbändern (4) erzeugt werden, so dass das pneumatische Bauelement die Form eines Bogens annimmt.
3. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine flexible Druckstab (2) auf der Bogeninnenseite angebracht ist und damit die Dehnung der Hülle (1) an der Innenseite bezüglich der Aussenseite des Bogens eingeschränkt ist, dass das pneumatische Bauelement unter Druckbeaufschlagung die Form eines Bogens annimmt.
4. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur vektoriellen Nullsummenbildung in den Knotenelementen (3) unter allen Lastverhältnissen entweder ein äusseres Zugband (8) vorhanden ist oder die Enden des bogenartigen Trägers verankert sind.
5. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 2 und 3.
6. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

   - zwei Hüllen (1) mit je zwei Zugbändern (4) durch einen Rohrbogen (9) verbunden sind und im druckbeaufschlagten Zustand in einem durch den Rohrbogen (9) bestimmten Winkel zueinander stehen,

   - der Druckstab (2) von der einen Hülle (1) über den Rohrbogen (9) zur nächsten Hülle (1) verläuft.

   - die beiden Hüllen (1) einen zusammenhängenden oder zwei separate Druckkörper bilden.
7. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rohrbogen (9) mindestens drei Hüllen (1) verbinden.
8. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckstab (2) ausserhalb oder innerhalb der Hülle (1) oder bei einer mehrschichtigen Hülle (1) zwischen zwei Schichten der Hülle (1) angebracht sein kann.
9. Bogenartiger Träger aus mindestens einem flexiblen pneumatischen Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugbänder (4) mindestens punktuell fest fixiert sind.
10. Pneumatische Brückentragkonstruktion, bestehend aus pneumatischen bogenartigen Trägern mit mindestens einer mit Druckgas beaufschlagbaren Hülle (1) und mindestens einem Druckstab (2) mit mindestens je einem Paar von Zugbändern (4) sowie je zwei Knotenelementen (3),
    wobei sie aus mindestens zwei gegeneinander gesicherten pneumatischen bogenartigen Trägern aufgebaut ist, und wobei der mindestens eine Druckstab (2) fest mit der Hülle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

    - der mindestens eine Druckstab (2) biegeelastisch ist, plattenartige Form aufweist,

    - im leeren Zustand des pneumatischen bogenartigen Trägers der Druckstab (2) flach und rollbar ist, und

    - pro pneumatischem bogenartigem Träger mindestens ein äusseres Zugband (8) vorhanden ist, das zwischen den zwei Knotenelementen (3) verläuft und den Druckstab (2) des pneumatischen bogenartigen Trägers vorspannt.

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