EP3882410B1 - Neuartige stirnflächenknotenverbindung für flächentragwerke - Google Patents

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EP3882410B1
EP3882410B1 EP20163820.2A EP20163820A EP3882410B1 EP 3882410 B1 EP3882410 B1 EP 3882410B1 EP 20163820 A EP20163820 A EP 20163820A EP 3882410 B1 EP3882410 B1 EP 3882410B1
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EP
European Patent Office
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node
face
rod elements
load
rod
Prior art date
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EP20163820.2A
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EP3882410C0 (de
EP3882410A1 (de
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Andreas Ruch
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Ruch Innovations AG
Original Assignee
Ruch Innovations AG
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Publication date
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    • E04B1/32—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures
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    • E04B2001/3235—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures having a grid frame
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    • E04B1/32—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures
    • E04B2001/3294—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures with a faceted surface

Definitions

  • the present invention relates to an end surface node connection with rod elements for surface structures, a surface structure comprising a large number of end surface node connections, methods for producing the end surface node connection and the use of the end surface node connection.
  • surface structures are an essential design element.
  • Surface structures in the form of free-form surfaces are particularly popular because they enable architects to create a wide range of structural forms.
  • free-form surfaces are used for large building envelopes and/or roofs.
  • the surface structures are created using a large number of flat polygons arranged side by side.
  • the corners of the polygons connect the adjacent polygons, whereby each individual polygon can be arranged in a different plane, which means that any free forms can be created.
  • the sides of the polygons are formed by - typically linear - bar elements, with each bar element connecting two nodes and two polygon sides.
  • the polygonal surfaces of the surface structures are usually covered, for example with glass.
  • the polygon corners also known as nodes, form an extremely important element in surface structures, as they hold the individual polygons together and therefore often have to absorb very large forces.
  • the connection of the nodes with the rod elements attached to them is central to both the geometry of the surface structure and its stability.
  • Trusses for free-form surfaces are typically designed as either two or multi-layer trusses for spans of up to 100 meters, or as single-layer trusses for small to medium spans of up to 30 meters, for example. Individual elements of the framework are usually prefabricated at the factory and assembled on site.
  • the node connections are divided into the very different categories of strap nodes and front nodes.
  • the force is transmitted between the joint and the bar connection by means of straps arranged in the longitudinal direction of the bar.
  • the tabs are either individual elements or integrated into the member or node.
  • the connection surface between the node and the member runs perpendicular to the longitudinal axis of the member, with the connection being made primarily by means of a head plate joint with prestressed bolts or welding. A wide variety of free-form surfaces can be created with these known node connections.
  • the object of the present invention is therefore to provide a node connection for single-layer frameworks, with which not only geometrically and structurally optimized surfaces can be created, but which is also excellently applicable for the transferability of internal forces such as normal forces and bending moments as well as for the absorbability of local geometry parameters.
  • the node connection should not only be easy to produce, but also simplify the production of free-form surfaces and, if necessary, even enable optimized free-form surfaces.
  • a surface supporting structure (4) comprising a large number of end face node connections (1) according to the invention, the end face node connections (1) being connected to one another by the rod elements (2), the rod elements (2) connecting two nodes (3) to one another, the end face node connections ( 1) form a plurality of polygons (5) and the centers of the top (31) and/or bottom (32) of the nodes (3) form the corners of the polygons (5).
  • the face node connection (1) according to the invention, the planar structure (4) according to the invention, the method for producing the face node connection (1) according to the invention and the use of the face node connection (1) according to the invention have a large number of advantages.
  • the end face node connection (1) also known as node connection
  • geometrically and structurally optimized surfaces - in particular surface structures (4) in free form - can be created.
  • the nodal connections are excellently applicable for the transferability of internal forces such as normal forces and bending moments, as well as for the recording of local geometry parameters such as horizontal, vertical and torsion angles.
  • the node (3) does not have to be processed or only to a minor extent, because it simplifies - if at all necessary - not only the production of the end face node connection (1) enormously, but also the surface structure (4).
  • This is of great advantage, particularly in the case of free-form planar structures (4), since each node (3) is identical. Because with the known end face node connections (1) in free form, however, nodes have to be processed separately, which is not only associated with great effort during their production, but also when assembling the individual nodes (3) and rod elements (2) to form the surface structures (4). in freeform.
  • the rod elements (2) can be attached at any point on the rounded side area (33) of the node (3).
  • the exact location of the attachment of the bar elements (2) to the node (3) is only defined by the geometry to be achieved - and thus in relation to the existing bar element or elements (2), and does not have to match the processed point of the respective node . This in turn is an extremely great advantage over the known systems.
  • a major advantage of the end face node connection (1) according to the invention is that the rod elements (2) can be brought up to the node (3) for attachment in a simple manner, perpendicularly and centrally, i.e. parallel to the node axis, from at least one side, with them not being in a tab, a connecting plate, or between two arms of a knot have to be pushed in. This greatly simplifies the manufacture of the planar structure (4).
  • the CN-A-105178443 discloses a bolt connection suitable for a single layer grid shell with rectangular steel tubes.
  • the bolt connection consists of the rectangular steel tubes and a connecting body in the form of a hollow cylinder.
  • arcuate seals are circular and arcuate connection plates are arranged on the outer surface of the hollow cylinder.
  • the arc-shaped gaskets, the hollow cylinder and the arc-shaped connection plates are connected by bolts, and the arc-shaped connection plates and the rectangular steel pipes are firmly connected to each other.
  • the use of connecting plates as connecting elements between the hollow cylinder and the steel tubes is mandatory and makes it impossible to insert the steel tubes from the side during the manufacture of the surface structures.
  • connection is complex both in terms of manufacturing the individual parts and when assembling them, and leads to two different connection points for each steel tube.
  • the rectangular steel tubes always have a right angle to the connecting body, which makes it even more difficult to create any free forms.
  • U.S. 4,295,303 A describes a connection for a geodesic dome structure comprising i) a coil having an outer surface with a radially projecting circumferential wedge; ii) a plurality of carriers having ends which abut the outer surface of the spool and engage the teeth to prevent movement of the carriers axially with respect to the spool, each carrier having engagement means which are engaged by the end of the carrier in the abutment with the coil are spaced; and iii) a traction element that through the engagement means in the carriers and coplanar with the spool to hold the carriers against the spool and prevent movement of the carriers radially with respect to the spool.
  • Both the carrier, the coil and the panels arranged between them are typically made of wood and the tension element is made of metal.
  • the end face node connection (1) with rod elements (2) according to the invention is particularly suitable for surface structures (4) and/or free-form bodies for any application.
  • the end face areas (24) of the rod elements (2) are shaped end face areas (24) which are shaped in such a way that at least part of the end face areas (24) cover part of the rounded side area (33) of the node (3), the shaped end face areas (24) of the rod elements (2) adjoin the node (3) with a precise fit and without an intermediate connection and are non-positively welded to the node (3).
  • the face portions (24) cover part of the rounded side portion (33) of the cylindrical node (3), or part of the face portions (24) cover part of the rounded side portion (33) of the cylindrical node (3) and the other part the end face areas (24) the top (31) and/or bottom (32) of the cylindrical node (3).
  • the term end face node connection (1) means that the connecting surface between the node (3) and the rod element (2) runs parallel to the axis of the node (3).
  • the end face areas (24) of the bar elements (2) can be shaped in such a way that the connecting surface between the rounded side area (33) of the cylindrical node (3) and the bar element (2) does not run perpendicular to the longitudinal bar axis. If at least two, in particular each, connection surface at a node (3) does not run perpendicular to the longitudinal axis of the rod, the node (3) forms the tip of a multifaceted pyramid, the rod elements (2) forming the edges of the pyramid.
  • Each rod element (2) has an outer area (21), an inner area (22), at least two side areas (23) and at least one end face area (24).
  • the terms outer area (21) and inner area (22) refer to the planar structure (4) to be formed, which delimits an outer space from an inner space or - in the form of a roof - divides an outer, unprotected outer space from a protected space.
  • the outer area (21) points in the direction of the - often unprotected - outer space and the inner area (22) in the direction of the inner space and/or protected space.
  • the outer area (21) is arranged opposite the inner area (22).
  • the at least two side areas (23) are arranged between the outer area (21) and the inner area (22).
  • the outer area (21) of the bar element (2) flows into the side areas (23) and these in turn flow further into the inner area (22).
  • the specialist can delimit the outer area (21) resp. determine the inner area (22) to the side areas (23), if this is necessary.
  • the rod elements (2) also have at least one, preferably two, opposite end face areas (24).
  • the end face areas (24) are arranged at the ends of the rod elements (2).
  • the shaped face portions (24) are shaped such that at least a portion of the face portions (24) cover a portion of the rounded side portion (33) of the node (3), the shaped face portions (24) of the rod elements (2) are directly adjacent to the node (3) with a precise fit and without an intermediate connection and are non-positively welded to the node (3).
  • at least 50%, preferably at least 70%, in particular at least 90%, of the cross-sectional area of the rod element (2) adjoins the side area (33) of the node (3).
  • shaped means that the shaped end face areas (24) - in particular the end face areas (24) of the outer areas (21) and/or inner areas (22) of the rod elements (2) adjoining the side areas (33) - are Adjust the curvature of the rounded side area (33) of the knot (3) precisely.
  • the shaped end face areas (24) of the rod elements (2) that adjoin the side area (33) of the node (3) have the same curvature as the rounded side area (33) of the node ( 3). This achieves an optimal, precisely fitting connection between the bar elements (2) and the node (3) with optimal power transmission from the bar elements (2) to the node (3).
  • both the optimal profile and the most suitable material for the rod elements (2) can be selected.
  • the dimensions of the bar elements (2) depend very much on the application of the end face node connection (1) and thus on the forces to be absorbed. If the face node connection (1) is used for a surface structure (4), the distance between the outer area (21) and inner area (22) and/or between the side areas (23) is, for example, from 10 to 25 cm; in particular from 12 to 20 cm, the distance being measured in the cross section of the rod elements (2).
  • the person skilled in the art knows how to dimension the bar elements (2) for the respective face node connection (1), the surface structure (4) and the free-form body. He can also make the appropriate selection in relation to the material and the profiling of the rod elements (2).
  • the term knot (3) is understood to mean a cylindrical knot (3) with a top (31), a bottom (32) and a rounded side area (33).
  • the upper side (31) of the node (3) is typically arranged towards the outside and the lower side (32) of the node (3) towards the inside of the planar structure (4).
  • the top (31) and bottom (32) are preferably parallel to each other and perpendicular to the axis of the node, which is arranged parallel to the rounded side area (33). Therefore, the top (31) and bottom (32) typically have the same round surface or differ from each other only slightly, for example by a beveled edge.
  • the rounded side area (33) of the cylindrical node (3) typically has a round, in particular a circular, cross section.
  • the node (3) generally has the same, round cross section along the central axis of the node (3), it being possible for at least one edge of the cylindrical node (3) to be beveled.
  • the node (3) is made, for example, from a rod or a tube. Suitable knots (3) are commercially available.
  • the node (3) can be a solid node or--preferably in the axis of the node (3)--have a bore.
  • the hole can lead from the top (31) to the bottom (32) of the node (3).
  • the bore may not be continuous.
  • the bore is advantageously less than 50% by volume, preferably less than 20% by volume, in particular less than 5% by volume, of the total volume of the node (3), including the volume of the bore.
  • both the optimal node (3) and the most suitable material for the node (3) can be selected.
  • the wall thicknesses of the pipe are dimensioned in such a way that they differ according to the transverse forces. Those skilled in the art can determine the appropriate dimensions.
  • the dimensions of the node (3) depend very much on the application of the face node connection (1), the dimensions and the number of adjacent bar elements (2). If the end face node connection (1) is used for a surface structure (4), the cylindrical node (3) has, for example, a height of 10 to 25 cm, in particular 12 to 20 cm, and a diameter of 15 to 40 cm, in particular 20 to 30 cm, up.
  • the person skilled in the art knows how to dimension the nodes (3) for the respective end face node connection (1), the surface structure (4) and the free-form body. He can also make the appropriate selection with regard to the material and the dimensions of the nodes (3).
  • the shaped end face areas (24) in the area of the outer area (21) and/or inner area (22) of the rod elements (2) have an extension (241), the extension (241) forming part of the upper side (31) and/or the lower side (32) of the knot (3).
  • the extension (241) preferably extends at an acute angle to the middle of the top (31) and/or the bottom (32) of the node (3).
  • the extension (241) is used both for additional stability of the end face node connection (1) and for extending suitable conditions for coverings (6), for example in the form of seals, up to the center of the top (31) or the underside (32) of the node, which increases the tightness of the surface structure (4).
  • the seals are used to support the covers (6) of the surface structure (4).
  • the extension (241) is preferably part of the original rod element (2).
  • the extension (241) can be produced in a simple manner by removing the end faces of the rod element (2), except for the extension (241) to be formed, and thereby setting them back.
  • the bar elements (2) and the node (3) form the boundaries of a planar or shaped surface, where if the face node connection (1) comprises three or more bar elements (2), the shaped surface preferably represents a many-sided pyramid.
  • surface supporting structures (4) in particular also in free form, can be produced in a simple manner with the end face node connection (1).
  • At least one bar element (2) is designed as a tube stub and a further bar element is attached to the tube stub.
  • This design is particularly advantageous for connecting, for example, two prefabricated partial elements of the surface structure (4) on the construction site.
  • opposite tube stubs and other bar elements are advantageously used only at certain points.
  • the planar structure (4) according to the invention comprising a large number of end face node connections (1) according to the invention, can be in any form, provided that the static requirements are met.
  • the planar structure (4) preferably forms a roof, glass structure, space frame, scaffolding and/or a roof.
  • the free form is a very particularly preferred embodiment, with the term free form being used to describe any end face node connections (1) in relation to the angle between the bar elements (2) and the axis of the node ( 3) can be different.
  • the surface structure (4) Due to the very simple production of the end face node connections (1) according to the invention, the surface structure (4) can surprisingly also be simple and inexpensive produce. In this case, the surface structure (4) can have a span of 20 m or more, for example.
  • the surface structure (4) is typically connected laterally at various points to the ground. Suitable connection systems are known to the person skilled in the art and he can make the optimum selection.
  • the surface structure (4) comprises a multiplicity of end face node connections (1) according to the invention.
  • the face node connections (1) are connected to one another by the rod elements (2), the rod elements (2) connecting two nodes (3) to one another, the face face node connections (1) forming a multiplicity of polygons (5) and the middle of the upper side (31 ) and/or underside (32) of the nodes (3) form the corners of the polygons (5).
  • the polygons (5) which are formed by the face node connections (1), are preferably regularly convex polygons with 3 to 20 or more corners, in particular with 3 to 10 corners.
  • a non-limiting, preferred polygon is a triangle, in particular an equilateral or isosceles triangle, with a side length of, for example, 2 to 3 meters.
  • At least two opposite rod elements (2) are designed as tubular stubs and a further rod element is attached to the opposite tubular stubs.
  • Such opposing pipe stubs with a further rod element are advantageously used only at certain points, for example to connect two prefabricated sub-elements of the planar structure (4) to one another.
  • the polygons (5) have a covering (6), the covering (6) being made of glass, metal such as sheet metal, cement fiber boards, fiber cement boards, wood, textile, fabric, fleece, foil such as Plastic foil or metal foil, membrane and/or plastic such as Plexiglas, polycarbonate, PVC, PET, PMMA, polyacrylamide and/or plastic composite, and the covering (6) preferably extends over the entire polygonal area (5).
  • the surface structure (4) delimits a protected space - for example an interior space - from the unprotected exterior space.
  • the cover (6) is preferably placed on a support, for example seals, which are typically attached to the outer area (21) of the rod elements (2).
  • Suitable seals are known to those skilled in the art and include rubber seals, for example EPDM or SBR seals.
  • the cover (6) is advantageously arranged on the outer area (21) of the rod elements (2) - and thus of the surface supporting structures (4). As a result, the face node connections (1) with the bar elements (2) and the nodes (3) are protected from the weather and therefore require less maintenance.
  • the covering (6) can be in the form of individual polygon-shaped elements and thus individual rigid panels which are arranged over the respective polygons.
  • the cover can also be stretched over the rod elements (2) and a coherent skin over the surface structure (4) resp. be clamped to a free-form body.
  • the cover (6) is advantageously a film, textile, woven fabric or fleece.
  • the coverings (6) are typically fastened to the rod elements (2) in a proven, i.e. conventional manner, for example by means of screws.
  • the person skilled in the art can determine the optimum attachment in each case.
  • Such fasteners are commercially available.
  • the bar elements (2) of the end surface node connection (1) have an extension (241) which covers part of the top (31) and/or the bottom (32) of the node (3), the support for the cover (6) - For example, a seal - are guided to the center of the node (3). This is especially true when the extension (241) typically extends at an acute angle to the middle of the top (31) and/or bottom (32) of the node (3).
  • the planar structure (4) preferably has a two-dimensional or three-dimensional shape, in particular a free form.
  • the surface structure (4) in free form is preferably a free-form and spatially curved, regular or irregular surface structure (4). This allows an extremely large number of different geometrically and structurally optimized surfaces with optimal transferability of internal forces such as normal forces and bending moments as well as optimal absorbability of local geometry parameters such as horizontal, vertical and twist angles.
  • the face node connection (1) according to the invention can be produced in a simple manner, with face face node connections also being possible (1) be manufactured with complex shapes and angles that meet even very high static requirements.
  • the shaped end faces (24) of the rod elements (2) are connected to the unmachined side area (33) of the cylindrical node (3). This eliminates the time-consuming, complex production of machined nodes (3). In addition, this greatly simplifies the production of the end face node connection (1) and since all nodes (3) of a surface structure (4) are identical and do not have to be selected and positioned individually.
  • each rod element (2) can be shaped individually in such a way that at least part of the end face areas (24) forms part of the rounded side area (33) of the Node (3) can cover, the shaped face areas (24) of the rod elements (2) with a precise fit and without an intermediate connection directly adjoin the node (3) and can be welded to the node (3) in a non-positive manner.
  • the specialist can also create the optimal welded connection in each case.
  • the processing of the rod elements (2) using an electronically controlled steel processing device in particular using a laser tube cutting machine, also known as a tube laser cutting device or tube laser, enables the precise and efficient production of individually shaped and complex end face areas (24).
  • a laser tube cutting machine also known as a tube laser cutting device or tube laser
  • Suitable steel processing equipment is known to those skilled in the art.
  • a suitable, non-limiting steel processing device includes the TruLaser Tube 7000 device from TRUMPF.
  • the face node connection (1) according to the invention can be used in an extremely wide variety of ways.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stirnflächenknotenverbindung mit Stabelementen für Flächentragwerke, ein Flächentragwerk umfassend eine Vielzahl der Stirnflächenknotenverbindungen, Verfahren zur Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung sowie die Verwendung der Stirnflächenknotenverbindung.
  • In der modernen Architektur bilden Flächentragwerke ein wesentliches Gestaltungselement. Dabei sind Flächentragwerke in Form von Freiformflächen besonders beliebt, da sie dem Architekten ermöglichen, äusserst vielfältige Bauformen zu realisieren. So werden Freiformflächen für grossflächige Gebäudehüllen und/oder Überdachungen eingesetzt.
  • In der Praxis werden die Flächentragwerke mittels einer Vielzahl nebeneinander angeordneten flächigen Polygonen erstellt. Die Ecken der Polygone verbinden die angrenzenden Polygone, wobei jedes einzelne Polygon in einer unterschiedlichen Ebene angeordnet sein kann, wodurch beliebige Freiformen erstellt werden können. Die Seiten der Polygone werden durch - typischerweise lineare - Stabelemente gebildet, wobei jedes Stabelement zwei Knoten und zwei Polygonseiten miteinander verbindet. Die Polygonflächen der Flächentragwerke werden in der Regel überdeckt, beispielsweise mit Glas.
  • Die Polygon-Ecken, auch Knoten genannt, bilden ein äusserst wichtiges Element bei den Flächentragwerken, da sie die einzelnen Polygone zusammenhalten und dadurch oft sehr grosse Kräfte aufnehmen müssen. Dabei ist die Verbindung der Knoten mit den daran befestigten Stabelementen sowohl für die Geometrie des Flächentragwerks wie auch für dessen Stabilität zentral.
  • Stabwerke für Freiformflächen werden typischerweise entweder als zweiresp. mehrlagige Stabwerke für Spannweiten bis 100 Meter, oder als einlagige Stabwerke für kleine bis mittlere Spannweiten von beispielsweise bis zu 30 Metern realisiert. Dabei werden einzelne Elemente der Stabwerke in der Regel werkseitig vorgefertigt und bauseitig zusammengefügt.
  • Bei den einlagigen Stabwerken werden die Knotenverbindungen in die voneinander stark unterschiedlichen Kategorien Laschenknoten und Stirnknoten unterteilt. Bei den Laschenknoten erfolgt die Kraftübertragung zwischen Knoten und Stabanschluss mittels in Stablängsrichtung angeordneten Laschen. Dabei sind die Laschen entweder Einzelelemente oder in den Stab oder Knoten integriert. Bei Stirnflächenknoten verläuft die Verbindungsfläche zwischen Knoten und Stab senkrecht zur Stablängsachse, wobei die Verbindung vorwiegend mittels Kopfplattenstoss mit vorgespannten Schraubenbolzen oder Schweissung erfolgt. Mit diesen bekannten Knotenverbindungen können zwar die unterschiedlichsten Freiformflächen erstellt werden. Allerdings hat es sich gezeigt, dass entweder eine geometrisch und/oder strukturell optimierte Fläche erhalten werden kann, oder die Übertragbarkeit von Schnittgrössen wie Normalkräfte und Biegemomente und/oder die Aufnehmbarkeit von lokalen Geometrieparametern gut bis ausgezeichnet anwendbar ist (S. Stephan et al., Stahlbau 73 (2004), Heft 8; S. 562-572). Zudem sind die bekannten Knotenverbindungen komplex und nur mit grösserem Aufwand herstellbar.
  • Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Knotenverbindung für einlagige Stabwerke bereitzustellen, mit welcher nicht nur geometrisch und strukturell optimierte Flächen erstellt werden können, sondern welche auch ausgezeichnet anwendbar ist für die Übertragbarkeit von Schnittgrössen wie Normalkräfte und Biegemomente sowie für die Aufnehmbarkeit von lokalen Geometrieparametern. Zudem soll die Knotenverbindung nicht nur einfach herstellbar sein, sondern auch die Herstellung von Freiformflächen vereinfachen und gegebenenfalls sogar optimierte Freiformflächen ermöglichen.
  • Diese komplexe Aufgabe konnte überraschenderweise gemäss Anspruch 1 gelöst werden.
  • Beansprucht wird ein Flächentragwerk (4) umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindungen (1), wobei die Stirnflächenknotenverbindungen (1) durch die Stabelemente (2) miteinander verbunden sind, wobei die Stabelemente (2) zwei Knoten (3) miteinander verbinden, die Stirnflächenknotenverbindungen (1) eine Vielzahl von Polygone (5) bilden und die Mitte der Oberseite (31) und/oder Unterseite (32) der Knoten (3) die Ecken der Polygone (5) bilden.
  • Zudem wird auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) beansprucht (12) wobei
    • die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2) aus unbearbeiteten Stabelementen geformt werden, und
    • jede geformte Stirnfläche (24) der Stabelemente (2) passgenau an den Knoten (3) gefügt und kraftschlüssig mittels Verschweissen verbunden wird.
  • Beansprucht wird auch die Verwendung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) zur Erstellung eines erfindungsgemässen Flächentragwerks (4) und/oder eines Freiform-Körpers, wobei
    • das Flächentragwerk (4) bevorzugt ein Flächentragwerk (4) in Freiform und/oder ein Dach, Glasbau, Raumfachwerk, Gerüst, Überdachung und/oder eine Fassade ist, und/oder
    • der Freiform-Körper bevorzugt ein Möbel, Stuhl, Sofa, Gestell und/oder eine Skulptur ist.
  • Die erfindungsgemässe Stirnflächenknotenverbindung (1), das erfindungsgemässe Flächentragwerk (4), das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) sowie die Verwendung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) weisen überraschenderweise eine Vielzahl von Vorteilen auf. Mit der Stirnflächenknotenverbindung (1), auch Knotenverbindung genannt, können geometrisch und strukturell optimierte Flächen - insbesondere Flächentragwerke (4) in Freiform - erstellt werden. Die Knotenverbindung sind ausgezeichnet anwendbar für die Übertragbarkeit von Schnittgrössen wie Normalkräfte und Biegemomente, sowie für die Aufnehmbarkeit von lokalen Geometrieparametern wie Horizontal-, Vertikal- und Verdrehwinkel.
  • Für die Stirnflächenknotenverbindung (1) ist es von äusserst grossem Vorteil, dass der Knoten (3) nicht oder nur unwesentlich bearbeitet werden muss, denn es vereinfacht - sofern überhaupt notwendig - nicht nur die Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung (1) enorm, sondern auch des Flächentragwerks (4). Dies ist insbesondere bei Flächentragwerken (4) in Freiform von sehr grossem Vorteil, da jeder Knoten (3) identisch ist. Denn bei den bekannten Stirnflächenknotenverbindungen (1) in Freiform muss jedoch Knoten separat bearbeitet werden, was nicht nur bei deren Herstellung mit grossen Aufwand verbunden ist, sondern auch beim Zusammenbau der einzelnen Knoten (3) und Stabelementen (2) zu den Flächentragwerken (4) in Freiform.
  • Da der Knoten (3) symmetrisch ist, können die Stabelemente (2) an jeder beliebigen Stelle des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) angebracht werden. Der exakte Ort der Befestigung der Stabelemente (2) am Knoten (3) wird lediglich durch die zu erzielende Geometrie definiert - und somit in Relation zu dem oder den schon vorhandenen Stabelementen (2), und muss nicht mit der bearbeiteten Stelle des jeweiligen Knotens übereinstimmen. Dies ist wiederum ein äusserst grosser Vorteil gegenüber den bekannten Systemen.
  • Indem insbesondere mittels elektronisch gesteuertem Stahlbearbeitungsgerät mit Brenn-, Laser- oder Wasserstrahl auch sehr komplexe und individuell verschieden geformte Stirnflächenbereiche (24) mit unterschiedlichsten Winkeln hergestellt werden können, kann eine Vielzahl an unterschiedlichsten, auch komplexen, Flächentragwerke (4) und Freiform-Körper auf einfache Art und Weise erstellt werden. Dabei muss nur das Stabelement (2), nicht aber der Knoten (3), bearbeitet werden.
  • Ein grosser Vorteil der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) ist es, dass die Stabelemente (2) auf einfache Art und Weise senkrecht zentrisch, d.h. parallel zur Knotenachse, von mindestens einer Seite an den Knoten (3) zur Befestigung herangeführt werden, wobei sie nicht in eine Lasche, eine Verbindungsplatte oder zwischen zwei Arme eines Knotens hineingestossen werden müssen. Dadurch wird die Herstellung des Flächentragwerks (4) stark vereinfacht.
  • Die CN-A-105178443 offenbart eine Bolzenverbindung, die für eine einlagige Gitterschale mit rechteckigen Stahlrohren geeignet ist. Die Bolzenverbindung besteht aus den rechteckigen Stahlrohren und einem Verbindungskörper in Form eines Hohlzylinders. Auf der Innenfläche des Hohlzylinders sind bogenförmige Dichtungen kreisförmig und bogenförmige Verbindungsplatten sind auf der Außenfläche des Hohlzylinders angeordnet. Die bogenförmigen Dichtungen, der Hohlzylinder und die bogenförmigen Verbindungsplatten sind durch Bolzen und die bogenförmigen Verbindungsplatten und die rechteckigen Stahlrohre sind fest miteinander verbunden. Die Verwendung von Verbindungsplatten als Verbindungselemente zwischen dem Hohlzylinder und den Stahlrohren ist zwingend und verunmöglicht das seitliche Einfahren der Stahlrohre bei der Herstellung der Flächentragwerken. Zudem ist die vorgeschlagene Verbindung sowohl aufwändig in der Herstellung der Einzelteile als auch im Zusammenbau und führt für jedes Stahlrohr zu zwei verschiedenen Verbindungsstellen. Dies führt insbesondere bei Freiformen, bei welchen die Stahlrohre, d.h. die Stabelemente, bei jedem Knoten eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, zu grossen Herausforderungen. Auch weisen die rechteckigen Stahlrohre immer einen rechten Winkel zum Verbindungskörper auf, was die Erstellung beliebiger Freiformen zusätzlich erschwert.
  • Und die US 4 295 303 A beschreibt eine Verbindung für eine geodätische Kuppelstruktur, umfassend i) eine Spule mit einer Außenfläche mit einem radial vorspringenden Umfangskeil; ii) mehrere Träger mit Enden, die an der Außenfläche der Spule anliegen und mit der Verzahnung in Eingriff stehen, um eine Bewegung der Träger axial in Bezug auf die Spule zu verhindern, wobei jeder Träger Eingriffsmittel aufweist, die vom Ende des Trägers im Widerlager mit der Spule beabstandet sind; und iii) ein Zugelement, das durch die Eingriffsmittel in den Trägern und koplanar mit der Spule verläuft, um die Träger gegen die Spule zu halten und eine Bewegung der Träger radial in Bezug auf die Spule zu verhindern. Sowohl die Träger, die Spule wie auch die dazwischen angeordneten Paneelen sind typischerweise aus Holz und das Zugelement aus Metall.
    • Die Stirnflächenknotenverbindung (1)
  • Die erfindungsgemässe Stirnflächenknotenverbindung (1) mit Stabelementen (2) ist besonders geeignet für Flächentragwerke (4) und/oder Freiform-Körper für beliebige Anwendungen.
  • Jede Stirnflächenknotenverbindung (1) umfasst
    • mindestens zwei Stabelemente (2), wobei jedes Stabelement (2) einen Aussenbereich (21), einen Innenbereich (22), mindestens zwei Seitenbereiche (23) sowie mindestens einen Stirnflächenbereich (24) aufweist, und
    • einen zylindrischen Knoten (3) mit Oberseite (31), Unterseite (32) und gerundetem Seitenbereich (33).
  • Dabei stellen die Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) geformte Stirnflächenbereiche (24) dar, die so geformt sind, dass zumindest ein Teil der Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) bedecken, wobei die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) passgenau und ohne Zwischenverbindung direkt an den Knoten (3) angrenzen und kraftschlüssig mit dem Knoten (3) verschweisst sind.
  • Somit bedecken bevorzugt die Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des zylindrischen Knotens (3), oder ein Teil der Stirnflächenbereiche (24) bedeckt einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des zylindrischen Knotens (3) und der andere Teil der Stirnflächenbereiche (24) die Oberseite (31) und/oder Unterseite (32) des zylindrischen Knotens (3).
  • Unter dem Begriff Stirnflächenknotenverbindung (1) wird erfindungsgemäss verstanden, dass die Verbindungsfläche zwischen dem Knoten (3) und dem Stabelement (2) parallel zur Achse des Knotens (3) verläuft. Mit anderen Worten: Die Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) können so geformt sein, dass die Verbindungsfläche zwischen dem gerundeten Seitenbereich (33) des zylindrischen Knotens (3) und dem Stabelement (2) nicht senkrecht zur Stablängsachse verläuft. Verlaufen an einem Knoten (3) mindestens zwei, insbesondere jede, Verbindungsfläche nicht senkrecht zur Stablängsachse, bildet der Knoten (3) die Spitze einer vielseitigen Pyramide, wobei die Stabelemente (2) die Kanten der Pyramide bilden. Anhand dieser Anordnung lassen sich auf einfache Art und Weise auch komplexe, geometrisch und strukturell optimierte Flächen herstellen, wobei die Stirnflächenknotenverbindung (1) sowohl für die Übertragbarkeit von Schnittgrössen wie Normalkräfte und Biegemomente wie auch für die Aufnehmbarkeit von lokalen Geometrieparametern ausgezeichnet anwendbar ist.
  • Jedes Stabelemente (2) weist einen Aussenbereich (21), einen Innenbereich (22), mindestens zwei Seitenbereiche (23) sowie mindestens einen Stirnflächenbereich (24) auf. Dabei beziehen sich die Begriffe Aussenbereich (21) und Innenbereich (22) auf das zu bildende Flächentragwerk (4), welches einen Aussenraum von einem Innenraum abgrenzt oder - in Form einer Überdachung - einen äusseren, ungeschützten Aussenraum von einem geschützten Raum unterteilt. Somit weist der Aussenbereich (21) in Richtung des - vielfach ungeschützten - Aussenraums und der Innenbereich (22) in Richtung des Innenraums und/oder geschützten Raums. Zudem ist der Aussenbereich (21) gegenüber dem Innenbereich (22) angeordnet. Die mindestens zwei Seitenbereiche (23) sind zwischen dem Aussenbereich (21) und dem Innenbereich (22) angeordnet. Falls die Stabelemente (2) in Form eines runden Rohrs vorliegen, fliesst der Aussenbereich (21) des Stabelements (2) in die Seitenbereiche (23) und diese wiederum weiter in den Innenbereich (22). Der Fachmann kann die Abgrenzung des Aussenbereichs (21) resp. des Innenbereichs (22) zu den Seitenbereichen (23) bestimmen, sofern dies notwendig ist.
  • Die Stabelemente (2) weisen zudem mindestens einen, bevorzugt zwei einander gegenüberliegende, Stirnflächenbereich (24) auf. Dabei sind die Stirnflächenbereiche (24) an den Enden der Stabelemente (2) angeordnet. Die geformten Stirnflächenbereiche (24) sind so geformt, dass zumindest ein Teil der Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) bedecken, wobei die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) passgenau und ohne Zwischenverbindung direkt an den Knoten (3) angrenzen und kraftschlüssig mit dem Knoten (3) verschweisst sind. Dabei grenzt vorteilhafterweise mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70%, insbesondere mindestens 90%, der Querschnittsfläche des Stabelements (2) an den Seitenbereich (33) des Knotens (3).
  • Der Begriff "so geformt" steht dafür, dass die geformten Stirnflächenbereiche (24) - insbesondere die Stirnflächenbereiche (24) der an die Seitenbereiche (33) angrenzenden Aussenbereiche (21) und/oder Innenbereiche (22) der Stabelemente (2) - sich der Wölbung des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) passgenau anpassen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Stirnflächenknotenverbindung (1) weisen die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2), die an den Seitenbereich (33) des Knotens (3) angrenzen, die gleiche Wölbung auf wie die gerundeten Seitenbereich (33) des Knotens (3). Dadurch wird eine optimale, passgenaue Verbindung zwischen den Stabelementen (2) und dem Knoten (3) mit optimaler Kraftübertragung von den Stabelementen (2) zum Knoten (3) erzielt.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
    • weisen die Stabelemente (2) einen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder gerundeten, insbesondere runden oder elliptischen, Querschnitt auf, oder liegen die Stabelemente (2) in Form eines H-, U-, L- oder T-Profils vor, wobei die Stabelemente (2) den gleichen oder einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen können, und/oder
    • basieren die Stabelemente (2) aus Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl (CNS), Edelstahl, Aluminium und/oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Carbonfaser Composite, gefertigt, wobei der Kunststoff bevorzugt auf Polyester, Epoxidharz und/oder Polyamid, basiert.
  • Dadurch kann je nach geforderten Eigenschaften der Stirnflächenknotenverbindung (1) und/oder des Flächentragwerks (4) sowohl das optimale Profil wie auch das beste geeignete Material der Stabelemente (2) ausgewählt werden.
  • Die Dimensionen der Stabelemente (2) hängen sehr stark von der Anwendung der Stirnflächenknotenverbindung (1) und somit der aufzunehmenden Kräfte ab. Wird die Stirnflächenknotenverbindung (1) für ein Flächentragwerk (4) eingesetzt, beträgt die Distanz zwischen Aussenbereich (21) und Innenbereich (22) und/oder zwischen den Seitenbereichen (23) beispielsweise von 10 bis 25 cm; insbesondere von 12 - 20 cm, wobei die Distanz im Querschnitt der Stabelemente (2) gemessen wird. Der Fachmann weiss wie er für die jeweilige Stirnflächenknotenverbindung (1), das Flächentragwerk (4) sowie die Freiform-Körper die Stabelemente (2) dimensionieren muss. Auch kann er die geeignete Auswahl in Bezug auf das Material und die Profilierung der Stabelemente (2) treffen.
  • Unter dem Begriff Knoten (3) wird erfindungsgemäss ein zylindrischer Knoten (3) mit Oberseite (31), Unterseite (32) und gerundetem Seitenbereich (33) verstanden. Die Oberseite (31) des Knotens (3) ist typischerweise zum Aussenbereich und die Unterseite (32) des Knotens (3) zur Innenseite des Flächentragwerks (4) hin angeordnet. Dabei sind die Oberseite (31) und Unterseite (32) bevorzugt zueinander parallel und rechtwinklig zur Achse des Knotens, welche parallel zum gerundeten Seitenbereich (33) angeordnet ist. Daher weisen die Oberseite (31) und Unterseite (32) typischerweise die gleiche, runde Fläche auf oder unterscheiden sich von einander nur unwesentlich, beispielsweise durch eine abgeschrägte Kante.
  • Der gerundete Seitenbereich (33) des zylindrischen Knotens (3) weist typischerweise einen runden, insbesondere einen kreisrunden, Querschnitt auf. Dabei weist der Knoten (3) entlang der Mittelachse des Knotens (3) in aller Regel den gleichen, runden Querschnitt auf, wobei mindestens eine Kante des zylindrischen Knotens (3) abgeschrägt sein kann. Der Knoten (3) wird beispielsweise aus einem Stab oder einem Rohr gefertigt. Geeignete Knoten (3) sind kommerziell erhältlich.
  • Der Knoten (3) kann ein massiver Knoten sein oder - bevorzugt in der Achse des Knotens (3) - eine Bohrung aufweisen. Dabei kann die Bohrung von der Oberseite (31) bis zur Unterseite (32) des Knotens (3) führen. Alternativ kann die Bohrung nicht durchgehend sein. Dabei beträgt die Bohrung vorteilhafterweise weniger als 50 Vol.-%, bevorzugt weniger als 20 Vol.-%, insbesondere weniger als 5 Vol.-%, des Gesamtvolumens des Knotens (3), wobei das Volumen der Bohrung mit einberechnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des zylindrischen Knotens (3)
    • stellt der Knoten (3) ein massiver Knoten (3) dar oder liegt in Form eines Rohrs vor, und/oder
    • ist der Knoten (3) aus Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl (CNS), Edelstahl, Aluminium und/oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Carbonfaser Composite, gefertigt, wobei der Kunststoff bevorzugt auf Polyester, Epoxidharz und/oder Polyamid basiert.
  • Dadurch kann je nach geforderten Eigenschaften der Stirnflächenknotenverbindung (1) und/oder des Flächentragwerks (4) sowohl der optimale Knoten (3) wie auch das beste geeignete Material für den Knoten (3) ausgewählt werden. Dabei werden die wobei die Wanddicken des Rohrs so bemessen, dass sie gemäss den Querkräften differieren. Der Fachmann kann die entsprechenden Dimensionen bestimmen.
  • Die Dimensionen des Knotens (3) hängen sehr stark von der Anwendung der Stirnflächenknotenverbindung (1), der Dimensionen sowie der Anzahl der angrenzenden Stabelemente (2) ab. Wird die Stirnflächenknotenverbindung (1) für ein Flächentragwerk (4) eingesetzt, weist der zylindrische Knoten (3) beispielsweise eine Höhe von 10 bis 25 cm, insbesondere von 12 - 20 cm, und einen Durchmesser von 15 bis 40 cm, insbesondere von 20 - 30 cm, auf. Der Fachmann weiss wie er für die jeweilige Stirnflächenknotenverbindung (1), das Flächentragwerk (4) sowie die Freiform-Körper die Knoten (3) dimensionieren muss. Auch kann er die geeignete Auswahl in Bezug auf das Material und die Dimensionen der Knoten (3) treffen.
  • Die geformten Stirnflächenbereiche (24) im Bereich des Aussenbereichs (21) und/oder Innenbereichs (22) der Stabelemente (2) eine Verlängerung (241) auf, wobei die Verlängerung (241) einen Teil der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3) bedecken. Die Verlängerung (241) erstreckt sich bevorzugt in einem spitzen Winkel bis zur Mitte der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3). Dabei dient die Verlängerung (241) sowohl einer zusätzlichen Stabilität der Stirnflächenknotenverbindung (1), als auch zur Verlängerung von geeigneten Auflagen für Überdeckungen (6), beispielsweise in Form von Dichtungen, bis zum Zentrum der Oberseite (31) resp. der Unterseite (32) des Knotens, wodurch sich die Dichtigkeit des Flächentragwerks (4) erhöht. Dabei dienen die Dichtungen zur Auflage der Überdeckungen (6) des Flächentragwerk (4).
  • Die Verlängerung (241) ist bevorzugt Teil des ursprünglichen Stabelements (2). Indem die Stirnflächen des Stabelements (2) - bis auf die zu bildende Verlängerung (241) - abgetragen und dadurch zurückversetzt werden, kann die Verlängerung (241) auf einfache Art und Weise hergestellt werden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Stirnflächenknotenverbindung (1) bilden die Stabelemente (2) und der Knoten (3) die Grenzen einer planen oder geformten Fläche, wobei, wenn die Stirnflächenknotenverbindung (1) drei oder mehr Stabelemente (2) umfasst, die geformte Fläche bevorzugt eine vielseitige Pyramide darstellt. Dadurch lassen sich mit der Stirnflächenknotenverbindung (1) auf einfache Art und Weise Flächentragwerke (4), insbesondere auch in Freiform, herstellen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Stirnflächenknotenverbindung (1) ist mindestens ein Stabelement (2) als Rohrstumpf ausgebildet und ein weiteres Stabelement ist am Rohrstumpf befestigt. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft zum Verbinden von beispielsweise zwei vorgefertigten Teilelementen des Flächentragwerks (4) auf der Baustelle. Somit werden gegenüberliegende Rohrstümpfe und weitere Stabelemente vorteilhafterweise nur punktuell eingesetzt.
    • Das Flächentragwerk (4)
  • Das erfindungsgemässe Flächentragwerk (4) umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindungen (1) kann überraschenderweise in beliebiger Form vorliegen, sofern die statischen Erfordernisse gegeben sind. Dabei bildet das Flächentragwerk (4) bevorzugt ein Dach, Glasbau, Raumfachwerk, Gerüst und/oder eine Überdachung. Zudem ist die Freiform eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform, wobei unter dem Begriff Freiform jede Stirnflächenknotenverbindungen (1) in Bezug auf die Winkel zwischen den Stabelementen (2) und der zu der Oberseite (31) und Unterseite (32) vertikal angeordneten Achse des Knotens (3) unterschiedlich sein kann. Aufgrund der sehr einfachen Herstellung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindungen (1) lässt sich überraschenderweise auch das Flächentragwerk (4) einfach und kostengünstig herstellen. Dabei kann das Flächentragwerk (4) beispielsweise eine Spannweite von 20 m und mehr aufweisen.
  • Das Flächentragwerk (4) wird typischerweise seitlich an verschiedenen Punkten mit dem Untergrund verbunden. Dem Fachmann sind geeignete Verbindungssystem bekannt und er kann die die optimale Auswahl treffen.
  • Das Flächentragwerk (4) umfasst eine Vielzahl von erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindungen (1). Dabei sind die Stirnflächenknotenverbindungen (1) durch die Stabelemente (2) miteinander verbunden, wobei die Stabelemente (2) zwei Knoten (3) miteinander verbinden, die Stirnflächenknotenverbindungen (1) eine Vielzahl von Polygone (5) bilden und die Mitte der Oberseite (31) und/oder Unterseite (32) der Knoten (3) die Ecken der Polygone (5) bilden.
  • Die Polygone (5), die durch die Stirnflächenknotenverbindungen (1) gebildet werden, sind bevorzugt regelmässig konvexe Polygone mit 3 bis 20 oder mehr Ecken, insbesondere mit 3 bis 10 Ecken. Ein nicht-limitierendes, bevorzugtes Polygon ist ein Dreieck, insbesondere ein gleichseitiges oder gleichschenkliges Dreieck, mit einer Seitenlänge von beispielsweise 2 bis 3 Metern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Flächentragwerk (4) sind mindestens zwei einander gegenüberliegende Stabelemente (2) als Rohrstumpf ausgebildet sind und ein weiteres Stabelement an den einander gegenüberliegenden Rohrstümpfe befestigt. Solche gegenüberliegende Rohrstümpfe mit einem weiteren Stabelement werden - wenn sie eingesetzt werden - vorteilhafterweise nur punktuell eingesetzt, um beispielsweise zwei vorgefertigte Teilelemente des Flächentragwerks (4) miteinander zu verbinden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Flächentragwerks (4) weisen die Polygone (5) eine Überdeckung (6) auf, wobei die Überdeckung (6) aus Glas, Metall wie beispielsweise Blech, Zementfaserplatten, Faserzementplatten, Holz, Textil, Gewebe, Vlies, Folie wie Kunststofffolie oder Metallfolie, Membrane und/oder Kunststoff wie beispielsweise Plexiglas, Polycarbonat, PVC, PET, PMMA, Polyacrylamid und/oder Kunststoff-Komposit ist, und wobei sich die Überdeckung (6) bevorzugt über die ganze Polygonfläche (5) erstreckt. Dadurch grenzt das Flächentragwerk (4) einen geschützten Raum - beispielsweise einen Innenraum - vom ungeschützten Aussenraum ab. Durch die Wahl der Überdeckung (6) kann nicht nur der Lichteinfluss optimiert werden, sondern auch die Materialeigenschaften können den Bedürfnissen angepasst werden.
  • Die Überdeckung (6) wird bevorzugt auf eine Auflage, beispielsweise Dichtungen, gelegt, welche typischerweise am Aussenbereich (21) der Stabelemente (2) angebracht sind. Geeignete Dichtungen sind dem Fachmann bekannt und umfassen Gummidichtungen, zum Beispiel EPDM- oder SBR-Dichtungen.
  • Die Überdeckung (6) wird vorteilhafterweise auf den Aussenbereich (21) der Stabelemente (2) - und somit der Flächentragwerke (4) - angeordnet. Dadurch sind die Stirnflächenknotenverbindungen (1) mit den Stabelementen (2) und den Knoten (3) vor Wettereinflüssen geschützt und müssen daher weniger gewartet werden.
  • Die Überdeckung (6) kann in Form einzelner polygonförmiger Elemente und somit einzelner rigider Paneelen sein, die über die jeweiligen Polygone angeordnet werden. Alternativ kann die Überdeckung auch über die Stabelemente (2) gespannt sein und so eine zusammenhängende Haut über das Flächentragwerk (4) resp. einen Freiform-Körper gespannt sein. In diesem Fall ist die Überdeckung (6) vorteilhafterweise eine Folie, ein Textil, Gewebe oder Vlies.
  • Die Befestigung der Überdeckungen (6) an den Stabelementen (2) erfolgt typischerweise auf bewährte, d.h. herkömmliche Weise, beispielsweise mittels Schrauben. Der Fachmann kann die jeweils optimale Befestigung bestimmen. Solche Befestigungen sind kommerziell erhältlich.
  • Weisen die Stabelemente (2) der Stirnflächenknotenverbindung (1) eine Verlängerung (241) auf, welche einen Teil der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3) bedecken, kann die Auflage für die Überdeckung (6) - beispielsweise eine Dichtung - bis ins Zentrum des Knotens (3) geführt werden. Dies gilt insbesondere, wenn sich die Verlängerung (241) typischerweise in einem spitzen Winkel bis zur Mitte der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3) erstreckt.
  • Das Flächentragwerk (4) weist bevorzugt eine zweidimensionale oder dreidimensionale Form, insbesondere eine Freiform, auf. Dabei stellt das Flächentragwerk (4) in Freiform bevorzugt ein freiförmiges und räumlich gekrümmtes, regelmässige oder unregelmässigen Flächentragwerk (4) dar. Dies erlaubt eine äusserst grosse Anzahl an unterschiedlichsten geometrisch und strukturell optimierten Flächen mit optimaler Übertragbarkeit von Schnittgrössen wie Normalkräfte und Biegemomente sowie optimaler Aufnehmbarkeit von lokalen Geometrieparametern wie Horizontal-, Vertikalund Verdrehwinkel.
    • Verfahren zur Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung (1)
  • Die erfindungsgemässe Stirnflächenknotenverbindung (1) lässt sich überraschenderweise auf einfache Art und Weise herstellen, wobei auch Stirnflächenknotenverbindungen (1) mit komplexen Formen und Winkel hergestellt werden, die selbst sehr hohe statische Anforderungen erfüllen.
  • Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1)
    • werden die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2) aus unbearbeiteten Stabelementen geformt, und
    • jede geformte Stirnfläche (24) der Stabelemente (2) wird passgenau an den Knoten (3) gefügt und kraftschlüssig mittels Verschweissen verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2) mit dem unbearbeiteten Seitenbereich (33) des zylindrischen Knotens (3) verbunden. Dadurch entfällt die aufwändige, komplexe Herstellung von bearbeiteten Knoten (3). Zudem wird dadurch die Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung (1) und stark vereinfacht, da dadurch alle Knoten (3) eines Flächentragwerks (4) identisch sind und nicht individuell ausgewählt und positioniert werden müssen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2)
    • mechanisch hergestellt, insbesondere mittels Zerspanen wie Fräsen und/oder Schleifen, und/oder
    • mittels elektronisch gesteuertem Stahlbearbeitungsgerät mit Brenn-, Laser- oder Wasserstrahl, insbesondere mit einer Laser-Rohrschneidemaschine.
  • Diese Herstellarten erlauben die Herstellung von der Stabelementen (2) mit geformten, komplexen Stirnflächenbereichen (24), wobei jedes Stabelement (2) individuell so geformt sein kann, dass zumindest ein Teil der Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) bedecken kann, wobei die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) passgenau und ohne Zwischenverbindung direkt an den Knoten (3) angrenzen und kraftschlüssig mit dem Knoten (3) verschweisst werden können.
  • Wird das Stabelement (2) mit dem Knoten (3) verschweisst, kann der Fachmann auch die jeweils optimale Schweissverbindung erstellen.
  • Die Bearbeitung der Stabelemente (2) mittels elektronisch gesteuertem Stahlbearbeitungsgerät, insbesondere mittels Laser-Rohrschneidemaschine, auch Rohrlaserschneidegerät oder Rohrlaser genannt, ermöglicht die präzise und effiziente Herstellung von individuell geformten und komplexen Stirnflächenbereichen (24). Geeignete Stahlbearbeitungsgerät sind dem Fachmann bekannt. Ein geeignetes, nicht-limitierendes Stahlbearbeitungsgerät umfasst das Gerät TruLaser Tube 7000 der Firma TRUMPF.
    • Verwendung der Stirnflächenknotenverbindung (1)
  • Die erfindungsgemässe Stirnflächenknotenverbindung (1) kann überraschenderweise äusserst vielfältig verwendet werden.
  • Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) umfasst die Erstellung von erfindungsgemässen Flächentragwerken (4) und/oder von Freiform-Körpern, wobei
    • das Flächentragwerk (4) bevorzugt ein Flächentragwerk (4) in Freiform und/oder ein Dach, Glasbau, Raumfachwerk, Gerüst, Überdachung und/oder eine Fassade ist, und/oder
    • der Freiform-Körper bevorzugt ein Möbel, Stuhl, Sofa, Gestell und/oder eine Skulptur ist.
  • Dies unterstreicht die vielseitige Verwendung der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) wie auch des erfindungsgemässen Flächentragwerks (4).
  • Es werden folgende Bezugszeichen verwendet:
    • 1
    Stirnflächenknotenverbindung (1)
    2
    Stabelemente (2)
    21 Aussenbereich der Stabelemente (2)
    22 Innenbereich der Stabelemente (2)
    23 Seitenbereiche der Stabelemente (2)
    24 geformte Stirnflächen der Stabelemente (2)
    241 Verlängerung der Stirnfläche (24)
    3
    Zylindrischer Knoten (3)
    31 Oberseite des Knotens (3)
    32 Unterseite des Knotens (3)
    33 gerundeter Seitenbereich des Knotens (3)
    4
    Flächentragwerk (4)
    5
    Polygon (5)
    6
    Überdeckung (6)
  • Im Folgenden wird eine nicht-limitierende, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1) anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben. Diese sind nicht einschränkend auszulegen und werden als Bestandteil der Beschreibung verstanden:
    • Fig. 1a
    zeigt beispielhaft den zylindrischen Knoten (3) von der Seite umfassend die Oberseite (31), die Unterseite (32) sowie den gerundeten Seitenbereich (33) des Knotens (3). Die Oberseite (31) des Knotens (3) ist in dieser Ausführung seitlich abgeschrägt, um den Übergang der darauf zu liegenden Verlängerung (241) der geformten Stirnfläche (24) zum seitlichen Seitenbereich (33) zu optimieren.
    Fig. 1b
    zeigt den zylindrischen Knoten (3) von Fig. 1a von oben mit dem gerundeten Seitenbereich (33) sowie der Oberseite (31) und der Unterseite (32) des Knotens (3). Der äussere Kreis stellt die äussere Begrenzung der Unterseite (32) und des gerundeten Seitenbereichs (33) dar. Der zweite, innere Kreis markiert die äussere Begrenzung der Oberseite (31), welche durch die Abschrägung einen etwas geringeren Durchmesser als die Unterseite (32) des Knotens (3) aufweist.
    Fig. 2a
    zeigt beispielhaft ein Stabelement (2) mit im Wesentlichen rechtwinkligem Querschnitt mit dem Aussenbereich (21), dem Innenbereich (22), zwei einander gegenüberliegende Seitenbereiche (23) sowie den geformten Stirnflächenbereich (24). Der Stirnflächenbereich (24) des Aussenbereichs (21) weist die Verlängerung (241) auf, welche bei der Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung (1) auf die Oberseite (31) oder die Unterseite (32) des Knotens (3) zu liegen kommt.
    Fig. 2b
    zeigt das in Fig. 2a dargestellte Stabelement (2) um 90° gedreht mit dem Aussenbereich (21) und dem darüber angeordneten Innenbereich (22). Diese sind mit den zwei Seitenbereichen (23) miteinander verbunden. Der geformte Stirnflächenbereich (24) des Innenbereichs (22) weist eine Wölbung auf, die der Wölbung des Knotens (3) entspricht, um passgenau und ohne Zwischenverbindung direkt an den gerundeten Seitenbereich (33) des Knotens (3) anzugrenzen. Die Verlängerung (241) des Aussenbereichs (21) im Stirnflächenbereich (24) weist einen spitzen Winkel auf, welcher sich bis zur Mitte der Oberseite (31) des Knotens (3) erstrecken kann. Dabei ist der geformte Winkel - in Bezug auf die Mittelachse des Stabelements (2) asymmetrisch, da nicht alle Stabelemente (2) bei der zu bildenden Stirnflächenknotenverbindung (1) im gleichen Winkel zueinander am Knoten (3) angebracht sind.
    Fig. 2c
    zeigt den im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt des Stabelements (2). Das Stabelement (2) weist - je nach Anwendung und aufzunehmende Kräfte - eine Wanddicke von beispielsweise 1.5 bis 12 mm auf.
    Fig. 3a
    zeigt beispielhaft die obere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stirnflächenknotenverbindung (1). Die dargestellte Stirnflächenknotenverbindung (1) umfasst insgesamt 6 Stabelemente (2) mit je einer Verlängerung (241), welche am Knoten (3) befestigt sind. Die Verlängerungen (241) bedecken den grössten Teil der Oberseite (31) des Knotens (3), wobei sich die Spitzen der Verlängerungen (241) in der Mitte der Oberseite (31) treffen. Die Stabelemente (2) sind in unterschiedlichen Winkeln zueinander am Knoten (3) angebracht, wodurch sich auch in die Form der Spitzen der Verlängerungen (241) voneinander unterscheiden.
    Fig. 3b
    zeigt den Schnitt A-A der in Fig. 1a dargestellten Stirnflächenknotenverbindung (1). In der Mitte befindet sich der Knoten (3) mit der Oberseite (31), Unterseite (32) und dem gerundeten Seitenbereich (33). Der Knoten (3) weist in der Mitte der Unterseite (32) beispielhaft eine kleine Bohrung auf, die sich jedoch nicht bis zur Oberseite (32) erstreckt. An den Knoten (3) angeordnet sind die Stabelemente (2), die je einen geformten Stirnflächenbereichen (24) aufweisen. Diese sind so geformt sind, dass der grösste Teil der Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) bedeckt um die auf den Knoten (3) wirkenden Kräfte optimal aufzunehmen. Der Stirnseitenbereich (24) weist im Bereich des Aussenbereichs (21) die Verlängerung (241) auf, die sich über die Oberseite (31) des Knotens (3) erstrecken.
    Fig. 4
    zeigt ein beispielhaftes Flächentragwerk (4) in dreidimensionaler Freiform, wobei das Flächentragwerk (4) ein freiförmiges und räumlich gekrümmtes, unregelmässiges Flächentragwerk (4) darstellt. Das Flächentragwerk (4) umfasst eine Vielzahl von Stirnflächenknotenverbindungen (1) mit Stabelementen (2) und zylindrischen Knoten (3). Die Stirnflächenknotenverbindungen (1) sind durch die Stabelemente (2) miteinander verbunden, wobei jeweils die Stabelemente (2) zwei Knoten (3) miteinander verbinden. Durch diese Anordnung wird eine Vielzahl von Polygonen (5) gebildet. Durch die gewählte Architektur grenzen an jede Stirnflächenknotenverbindung (1) 6 unterschiedliche Stabelemente (2), wodurch die gebildeten Polygone (5) die Form von Dreiecken erhalten. Die Polygone (5) weisen beispielhaft eine Überdeckung (6) aus Glas auf, wobei sich die Überdeckung (6) über die ganze Polygonfläche (5) erstreckt. Dadurch entsteht ein dreidimensionales, gekrümmtes Glasdach in Freiform. Das Flächentragwerk (4) wird beispielhaft seitlich durch einen optionalen Druckring begrenzt, welcher wiederum mittels optionaler Stützen am Untergrund befestigt ist. Somit sind die Stirnflächenknotenverbindungen (1) im Randbereich in den Druckring integriert oder werden durch diesen ersetzt.

Claims (15)

  1. Stirnflächenknotenverbindung (1) mit Stabelementen (2) für Flächentragwerke (4) und Freiform-Körper, umfassend
    - mindestens zwei Stabelemente (2), wobei jedes Stabelement (2) einen Aussenbereich (21), einen Innenbereich (22), mindestens zwei Seitenbereiche (23) sowie mindestens einen Stirnflächenbereich (24) aufweist, und
    - einen zylindrischen Knoten (3) mit Oberseite (31), Unterseite (32) und gerundetem Seitenbereich (33),
    wobei die Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) geformte Stirnflächenbereiche (24) darstellen und so geformt sind, dass zumindest ein Teil der Stirnflächenbereiche (24) einen Teil des gerundeten Seitenbereichs (33) des Knotens (3) bedecken, wobei die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2) passgenau und ohne Zwischenverbindung direkt an den Knoten (3) angrenzen, wobei die Stirnflächenbereiche (24)
    - im Bereich des Aussenbereichs (21) und/oder Innenbereichs (22) der Stabelemente (2) eine Verlängerung (241) aufweisen, wobei die Verlängerung (241) einen Teil der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3) bedecken,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächenbereiche (24) kraftschlüssig mit dem Knoten (3) verschweisst sind.
  2. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verlängerung (241) der Stirnflächenbereiche (24) in einem spitzen Winkel bis zur Mitte der Oberseite (31) und/oder der Unterseite (32) des Knotens (3) erstreckt.
  3. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelemente (2) und der Knoten (3) die Grenze einer planen oder geformten Fläche bilden, wobei, wenn die Stirnflächenknotenverbindung (1) drei oder mehr Stabelemente (2) umfasst, die geformte Fläche bevorzugt eine vielseitige Pyramide darstellt.
  4. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelemente (2)
    - einen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder gerundeten, insbesondere runden oder elliptischen, Querschnitt aufweisen, oder dass die Stabelemente (2) in Form eines H-, U-, L- oder T-Profils vorliegt, wobei die Stabelemente (2) den gleichen oder einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen können, und/oder
    - aus Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl (CNS), Edelstahl Aluminium und/oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Carbonfaser Composite, gefertigt sind, wobei der Kunststoff bevorzugt auf Polyester, Epoxidharz und/oder Polyamid basiert.
  5. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Knoten (3)
    - ein massiver Knoten (3) darstellt oder in Form eines Rohrs vorliegt, und/oder
    - aus Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl (CNS), Edelstahl, Aluminium und/oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Carbonfaser Composite, gefertigt ist, wobei der Kunststoff bevorzugt auf Polyester, Epoxidharz und/oder Polyamid basiert.
  6. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Stirnflächenbereiche (24) der Stabelemente (2), die an den Seitenbereich (33) des Knotens (3) angrenzen, die gleiche Wölbung aufweisen wie die gerundeten Seitenbereich (33) des Knotens (3).
  7. Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stabelement (2) als Rohrstumpf ausgebildet ist und ein weiteres Stabelement am Rohrstumpf befestigt ist.
  8. Flächentragwerk (4) umfassend eine Vielzahl von Stirnflächenknotenverbindungen (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächenknotenverbindungen (1) durch die Stabelemente (2) miteinander verbunden sind, wobei die Stabelemente (2) zwei Knoten (3) miteinander verbinden, die Stirnflächenknotenverbindungen (1) eine Vielzahl von Polygone (5) bilden und die Mitte der Oberseite (31) und/oder Unterseite (32) der Knoten (3) die Ecken der Polygone (5) bilden.
  9. Flächentragwerk (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei einander gegenüberliegende Stabelemente (2) als Rohrstumpf ausgebildet sind und ein weiteres Stabelement an den einander gegenüberliegenden Rohrstümpfe befestigt ist.
  10. Flächentragwerk (4) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polygone (5) eine Überdeckung (6) aufweisen, wobei die Überdeckung (6) aus Glas, Metall wie beispielsweise Blech, Zementfaserplatten, Faserzementplatten, Holz, Textil, Gewebe, Vlies, Folie wie Kunststofffolie oder Metallfolie, Membrane und/oder Kunststoff wie beispielsweise Plexiglas, Polycarbonat, PVC, PET, PMMA, Polyacrylamid und/oder Kunststoff-Komposit ist, und wobei sich die Überdeckung (6) bevorzugt über die ganze Polygonfläche (5) erstreckt.
  11. Flächentragwerk (4) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerk (4) eine zweidimensionale oder dreidimensionale Form, insbesondere eine Freiform, aufweist, wobei das Flächentragwerk (4) in Freiform bevorzugt ein freiförmiges und räumlich gekrümmtes, regelmässige oder unregelmässigen Flächentragwerk (4) darstellt.
  12. Verfahren zur Herstellung der Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2) aus unbearbeiteten Stabelementen geformt werden, und
    - jede geformte Stirnfläche (24) der Stabelemente (2) passgenau an den Knoten (3) gefügt und kraftschlüssig mittels Verschweissen verbunden wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2) mit dem unbearbeiteten Seitenbereich (33) des zylindrischen Knotens (3) verbunden werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Stirnflächen (24) der Stabelemente (2)
    - mechanisch hergestellt werden, insbesondere mittels Zerspanen wie Fräsen und/oder Schleifen, und/oder
    - mittels elektronisch gesteuertem Stahlbearbeitungsgerät mit Brenn-, Laser- oder Wasserstrahl hergestellt, insbesondere mittels Laser-Rohrschneidemaschine.
  15. Verwendung der Stirnflächenknotenverbindung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erstellung eines Flächentragwerks (4) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11 und/oder eines Freiform-Körpers, wobei
    - das Flächentragwerk (4) bevorzugt ein Flächentragwerk (4) in Freiform und/oder ein Dach, Glasbau, Raumfachwerk, Gerüst, Überdachung und/oder eine Fassade ist, und/oder
    - der Freiform-Körper bevorzugt ein Möbel, Stuhl, Sofa, Gestell und/oder eine Skulptur ist.
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