WO1995020706A1 - Element zum aufbau von knotenstücken für flächen- und raumtragwerke - Google Patents

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WO1995020706A1
WO1995020706A1 PCT/DE1995/000110 DE9500110W WO9520706A1 WO 1995020706 A1 WO1995020706 A1 WO 1995020706A1 DE 9500110 W DE9500110 W DE 9500110W WO 9520706 A1 WO9520706 A1 WO 9520706A1
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Thomas Handte
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F + T Form + Technic
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    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
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    • E04B1/19—Three-dimensional framework structures
    • E04B2001/1957—Details of connections between nodes and struts
    • E04B2001/196—Screw connections with axis parallel to the main axis of the strut

Definitions

  • Structures of this type consist of a large number of structural members, which are usually arranged in a planar or spatially regular manner. Both pipe and profile material are used as structural members.
  • the structural members are connected to one another at the ends by so-called nodes or connecting elements.
  • the nodes have separate connections for connection to the structural members. The design of the connections determines the number and direction of the structural bars that can be connected to the nodes within more or less narrow limits.
  • a node known as a connecting element for spatial designs which has a cuboid base body with T-grooves for receiving further connecting elements.
  • the cuboid base body has a quadratic tables floor and a square top surface and rectangular side surfaces. Crossing T-slots are provided in the bottom and top surfaces along the diagonal. T-grooves are arranged on the side surfaces approximately in the middle parallel to the edges.
  • a plurality of supports can be connected to one another via connecting pieces to be hooked into the T-slots, but all of them must lie in a right-angled basic grid.
  • a prismatic node is disclosed in the above-mentioned laid-open publication, the base and top surfaces of which are each a symmetrical hexagon with two mutually opposite right angles.
  • the supports to be connected must lie in a basic grid that is predetermined by the orientation of the side surfaces. It is only possible to deviate from this basic grid by cutting the supports separately or by using special connecting elements to be arranged between the node and the support.
  • the directions of departure of the structural bars are defined as follows: They agree with the direction of the connection tion screw, they lie in a plane whose surface normal lies parallel to the connecting screw or they lie on the surface line of a cone opening with 90 ' , the line of symmetry of which is coaxial with the connecting screw.
  • the direction of the outgoing rods is not predefined both in the plane and on the lateral surfaces.
  • Each element has two openings, the bore axes of which form an angle with one another which is equal to 360 ' divided by an integer.
  • the Ele ⁇ ment in a bore a bearing surface on its inside and in the other bore a bearing surface on its outer side.
  • a self-contained ring can be put together from these elements by connecting each element to two adjacent elements.
  • an element is with its outer bearing surface of a first adjacent An ⁇ other member applied to the inner bearing surface, wherein the Boh ⁇ approximations are made to coincide.
  • the inner contact surface arranged at the other opening is brought into contact with the outer contact surface of a further, second adjacent element.
  • the resulting ring opened at one point and an element removed, it can be concluded mente paid with the reduced Ele ⁇ .
  • the elements which are held together with a fastening element in their openings lying on top of one another, are rotated relative to one another about the respective axis of the bore.
  • the twisting is effected such that the ends of the open ring to sammenfinden ⁇ , and that the contact surfaces of the free ends of the property at the point of interruption elements stacking.
  • the knot formed from the elements can be closed again, the bore axes defining the direction of departure of the structural rods being inclined towards the plane in which they were originally located.
  • the bore axes can and thus the rods are pivoted against each other within certain limits, only the elements rotating against one another on their contact surfaces.
  • the number can be successively reduced to three, wherein the bore axes and hence the rods are continually lifted out of the original plane.
  • the number of conceived in the ring fauxge ⁇ elements can also be increased over the above-mentioned integer towards ⁇ from, wherein a certain warpage or Verwolbung forming the ring. This ring can also be deformed by rotating the elements relative to one another and thus adapted to different desired geometries.
  • the opening can be made on the side opposite the contact surface be surrounded by an auxiliary surface which is aligned parallel to the contact surface. Because the maleberichtnnor- the plane defined by the contact surface plane is parallel to the bore axis, thus the surface Norma ⁇ le the auxiliary surface parallel to the Bohrungsach.se. Thus, the auxiliary area of the face of a to be connected ⁇ sequent structural rod provides a defined system. If the end face is at right angles to the longitudinal extension of the structural rod, the longitudinal axis of the structural rod coincides with the bore axis.
  • a clean connection of the structural rod to the element is achieved if the diameter of the auxiliary surface substantially corresponds to the diameter of a structural rod.
  • the supporting rod is tensioned against the element by the fastening means.
  • the opening sweeping attachment means is supported on the annular surface formed as a relief surface on the side opposite to ⁇ side, that is on the inboard side of the bone ⁇ least a.
  • the element can be manufactured simply and inexpensively if the legs are connected to one another in one piece.
  • the element can then simply be punched out as a stamped part from a sheet that is not too thin, initially producing a flat web provided with eyelets at the end.
  • the openings are provided, the fer ⁇ term element is obtained by an angling of the web. If the bending radius is kept small, the web connecting the eyelets can be relatively short, so that a compact construction, low material expenditure and good stability result.
  • the legs is narrower than the diameter of the eyelets be the elements whereby in a very wide Be ⁇ rich can pivot against each other to abut against each other without. It is advantageous if the diameter of the contact surface essentially coincides with the diameter of the auxiliary surface. The result of this is that the function of the contact surface and the auxiliary surface can be interchanged. In the event that the distances of the bore axes to the cutting line are the same for the element, the bore axes of the knot always intersect at one point. However, if the function of the contact surfaces and the auxiliary surfaces are interchanged, ie if the auxiliary surfaces serve as contact surfaces, this condition is no longer met. This means that the structural members are offset parallel to their original position. In the case of a hexagonal knot, for example, this means that the rods lying opposite one another at the knot are no longer in alignment with one another, but are laterally offset from one another, but parallel to one another.
  • Such a node piece enables the construction of both flat and spatial structures.
  • FIG. 2 shows an element of the node piece according to FIG. 1 in a perspective representation on a different scale
  • FIG. 5 shows the geometrical relationships on an element for a hexagonal node piece in a schematic representation.
  • Fig. 7 shows a flat structure with a flat node piece with seven exits in a partial representation
  • Fig. 8 shows a flat structure with a flat node piece with eight exits in a fragmentary representation.
  • a space structure 1 with a total of twelve support ⁇ work ben 2 is shown.
  • the structural rods 2 are arranged on the edges of a regular octahedron.
  • node pieces 3 are arranged, with which the structural rods 2 are screwed at the ends.
  • the knot pieces 3 are constructed from several mutually identical elements 4, which connect the structural bars 2 to one another.
  • the elements 4 are joined together in the manner of a chain to form a closed ring.
  • Such an element 4 is shown in isolation in FIG. 2. It has a shorter leg 6 and a longer leg 7 integrally connected to it. Both legs 6, 7 have ferry 8 mm and a thickness of about 3 mm, a width of matching unge ⁇ . At 8, they merge into one another with a small bending radius, enclosing an angle of 120 ° with one another.
  • Both the shorter leg 6 and the longer leg 7 are provided with eyelets or eyes 9, 10 at the end, the circular opening 12 of which has a diameter which is larger than the width of the leg and whose bore axis 13 is perpendicular to a plane, that is defined by an annular contact surface 14 surrounding the opening 12.
  • the contact surface 14 lies on the side of the element 4 to which the angle enclosed by the legs 6, 7 opens. This page is referred to below as the inside 15
  • the contact surface 14 is on the outside 21 of the element 4 opposite an annular auxiliary surface 23 of the same size. Conversely, an auxiliary surface 24 opposite the contact surface 19 is provided on the inside 15 of the element 4.
  • the contact surfaces 14 and 19 are at an angle of 120 ° to each other.
  • FIG. 3 A flat node piece 3 constructed from six of the elements 4 shown in FIG. 2 is shown in FIG. 3. Precisely because all of the bore axes 13, 18 in this node piece lie in one plane.
  • the elements 4 lie flat against one another with their contact surfaces 14, 19, the corresponding openings 12, 17 each being aligned with one another.
  • the structural ⁇ lie on the auxiliary surfaces 23 bars 2 with their respective end surfaces in plan.
  • a machine screw 26 is provided for holding together two elements 4 which are in contact with one another and for attaching the support rod 2 to these elements 4.
  • the machine screw 26 extends through the openings 12, 17 and is screwed axially into the associated support rod 2.
  • Fig. 3 shown of six elements 4 existing node 3, a planar node, gene in which all the outgoing structural rods 2 in a common plane lie ⁇ by removing an element 4 from the bone ⁇ ten Community 3, 4 Fig. obtained spatial nodes ⁇ piece 3 '.
  • the joint component 3 consists of insge ⁇ including five elements 4 to that of the openings 12, 17 bore axes defined 13, 18 so far rotated against each other, that even with the decreased by one at ⁇ number of elements 4, the contact surfaces 14, 19 plan together other concerns.
  • the bore axes 13, 18 are either on a conical surface or a hyperboloid.
  • the structure rods 2 extending from the node piece 3 ' consequently do not lie in any common plane with one another, but go off at an angle which enables the construction of spatial structures.
  • FIG. 5 A single element 4 is shown in FIG. 5 to illustrate the geometric relationships on the element 4.
  • the thickness d of the element 4 has only been chosen greater than that of the element 4 shown in FIG. 2 for a better illustration of the geometry.
  • the contact surfaces 14, 19 define planes 31, 32 which intersect at an intersection line 33.
  • the respective planes 31, 32 34 in the plane of a hexagon as the separately set Darge ⁇ cut line 33 form the respective lines of the planes Thomas ⁇ the corner points of the hexagon 34.
  • Hexagon 34 is regular, so that all sides are of equal length and an identical inside angle ⁇ is included at each corner point.
  • the distances between the bore axes 13, 18 of the openings 12, 17 from the section line 33 are the same.
  • the bore axes 13, 18 are perpendicular to the respective planes 31, 32.
  • the bore axes 13, 18 intersect at a point M, which is identical for all elements 4.
  • FIG. 6 An embodiment of a node piece 3 can be seen from FIG. 6, in which five elements 4 ′ result in a flat node with five outlets for structural bars 2. All support rods 2 lie in a common plane. The Bore axes 13, 18 of the openings 12, 17 penetrated by machine screws 26 intersect at a point M. The legs 6, 7 enclose an angle of 108 °, so that when the same elements 4 are used, a regular pentagon results.
  • This node piece 3 can also be made by removing an element 4 'into a spatial node with four outgoing structural members. In accordance with the bore axes 13, 18, these then do not lie in one plane but go off at an angle. In addition, a further element 4 'can be removed, so that the node only has three sloping supporting structure rods 2.
  • FIG. 7 shows a node piece 3 in which elements 4 ′′ having an angle of 128.57 ° have been used. Seven such elements result in a closed ring, in which the outgoing structural rods 2 lie in a common plane. By removing elements 4 ′′, this knot can also be made into a spatial knot, in which the structural rods come off at an angle.
  • knot piece 3 shown in FIG. 8 which is made up of elements 4 '' 'whose legs 6, 7 each form an angle of 135 ° with one another.
  • elements with different angles can be combined at a node. This is the case, for example, when it is intended to change from a regular structure to another structure. It can also be used to create flat nodes that are an uneven-sided, irregular polygon.

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Abstract

Ein Element (4) zum Aufbau von Knotenstücken (3) von Flächen- und Raumtragwerken weist zwei in einem Winkel zueinander stehende Schenkel (6, 7) auf, an deren freien Enden jeweils eine Öse (9, 10) mit einer Öffnung (12, 17) vorgesehen sind. Zur Ausrichtung mehrerer ein Knotenstück (3) bildender Elemente (4) zueinander weist das Element die Öffnung (12) umgebende Anlageflächen (14, 19) auf, wobei die eine Anlagefläche (14) auf der Innenseite (15) und die andere Anlagefläche (19) auf der Außenseite (21) des Elements liegt. Die Innenseite (15) ist dabei die Seite, zu der sich der von den Schenkeln (6, 7) eingeschlossene Winkel öffnet. Derartige Elemente werden zu einem Knotenstück (3) zusammengefügt, indem mehrere Elemente (4) zu einem Ring zusammengefügt werden. Dabei werden benachbarte Elemente mit ihren Anlageflächen (14, 19) aufeinandergelegt. Die Öffnungen (12, 17) bilden die Anschlüsse für die Tragwerkstäbe.

Description

Element zum Aufbau von Knotenstücken für Flächen- und Raumtraσwerke
Sowohl bei der Ausgestaltung und beim Ausbau von Innenräu¬ men als auch beim Aufbau von lediglich vorübergehend ste¬ henden Aufbauten, wie Messeständen, Werbetafeln oder der¬ gleichen, können Flächen- oder Raumtragwerke zur Anwendung kommen. Derartige Tragwerke bestehen aus einer Vielzahl von Tragwerkstaben, die flächig oder räumlich meist regel¬ mäßig angeordnet sind. Als Tragwerkstäbe ist sowohl Rohr- als auch Profilmaterial gebräuchlich. Die Tragwerkstäbe sind über sogenannte Knoten oder Verbindungselemente je¬ weils endseitig miteinander verbunden. Zur Verbindung mit den Tragwerkstaben weisen die Knoten gesonderte Anschlüsse auf. Die Gestaltung der Anschlüsse bestimmt dabei in mehr oder weniger engen Grenzen die Anzahl und Richtung der an den Knoten anschließbaren Tragwerkstäbe.
Beispielsweise ist aus der DE 39 26 979 AI ein als Ver¬ bindungselement für räumliche Gestaltungen bezeichneter Knoten bekannt, der einen quaderförmigen Grundkörper mit T-Nuten zur Aufnahme von weiteren Verbindungselementen aufweist. Der quaderfόrmige Grundkörper weist eine quadra- tische Boden- und eine quadratische Deckfläche sowie rechteckförmige Seitenflächen auf. In der Boden- und der Deckfläche sind entlang der Diagonalen sich kreuzende T- Nuten vorgesehen. An den Seitenflächen sind etwa mittig parallel zu den Kanten verlaufende T-Nuten angeordnet.
Mit diesem Knoten können über in die T-Nuten einzuhängende Verbindungsstücke mehrere Träger miteinander verbunden werden, die jedoch allesamt in einem rechtwinkligen Grund¬ raster liegen müssen.
Darüberhinaus ist in der obengenannten Offenlegungsschrift ein prismatischer Knoten offenbart, dessen Grund- und Deckfläche jeweils ein symmetrisches Sechseck mit zwei einander gegenüberliegenden rechten Winkeln ist.
Auch hier müssen die anzuschließenden Träger in einem von der Ausrichtung der Seitenflächen vorgegebenen Grundraster liegen. Ein Abweichen von diesem Grundraster ist nur durch einen gesonderten Zuschnitt der Träger bzw. die Verwendung spezieller zwischen dem Knoten und dem Träger anzuordnen¬ den Verbindungselemente möglich.
Aus der DE 39 26 679 AI ist eine Knotenpunktverbindung mit einem etwa kugelförmigen Knotenkόrper bekannt, der aus insgesamt vier kugelsegmentförmigen Scheiben besteht. Zen¬ tral in dem Knotenkörper ist eine Mutter vorgesehen, in die von beiden Seiten her die Scheiben zusammenhaltende Verbindungsschrauben eingeschraubt sind. Die kugelsegment¬ förmigen Scheiben begrenzen jeweils paarweise eine hinter- schnittene Nut, deren Öffnungsrichtung im wesentlichen radial bezogen auf den kugelförmigen Knotenkόrper gerich¬ tet ist. In diese Nuten sind Kupplungsköpfe eingesetzt, Odie an an den zu verbindenden Tragwerkstaben vorgesehenen Kupplungskόrpern ausgebildet sind.
Die Abgangsrichtungen der Tragwerkstäbe sind folgenderma¬ ßen festgelegt: Sie stimmen mit der Richtung der Verbin- dungsschraube überein, sie liegen in einer Ebene, deren Flächennormale parallel zu der Verbindungsschraube liegt oder sie liegen auf der Mantellinie eines sich mit 90' öffnenden Kegels, dessen Symmetrielinie zu der Verbin¬ dungsschraube koaxial liegt. Sowohl in der Ebene als auch auf den Mantelflächen ist die Richtung der abgehenden Stä¬ be nicht vordefiniert.
Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Element zu schaffen, das einfach und kostengünstig herzu¬ stellen ist und mit dem sich Knoten mit einer variablen Anzahl von Anschlüssen aufbauen lassen, die sich auf be¬ stimmte, in Flächen- und Raumtragwerken benötigte Winkel einstellen lassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Element zum Aufbau von Kno¬ tenstücken von Flächen und Raumtragwerken mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1 gelöst.
Jedes Element weist zwei Öffnungen auf, deren Bohrungsach- sen einen Winkel miteinander einschließen, der gleich 360' geteilt durch eine ganze Zahl ist. Außerdem weist das Ele¬ ment bei der einen Bohrung eine Anlagefläche an seiner Innenseite und bei der anderen Bohrung eine Anlagefläche an seiner Außenseite auf. Aus diesen Elementen läßt sich ein in sich geschlossener Ring zusammenstellen, indem je¬ des Element an zwei benachbarte Elemente angeschlossen wird. Dazu wird ein Element mit seiner außenliegenden An¬ lagefläche an die innenliegende Anlagefläche eines ersten benachbarten weiteren Elementes angelegt, wobei die Boh¬ rungen zur Übereinstimmung gebracht werden. Die bei der anderen Öffnung angeordnete, innen liegende Anlagefläche wird mit der außenliegenden Anlagefläche eines weiteren, zweiten benachbarten Elements in Anlage gebracht. Dies ist möglich, weil die Erstreckung der an der Innenseite lie¬ gende Anlagefläche in Richtung auf die Schnittlinie zu wenigstens genau so groß ist wie der Abstand der stirnsei¬ tigen Berandung der an der Außenseite liegenden Anlagefl - ehe zu deren Bohrungsachse. Das Anlegen wird fortgesetzt, bis ein in sich geschlossener Ring entstanden ist. Weil die von den Bohrungsachsen jeweils eingeschlossenen Winkel bei identischen Elementen gleich groß sind, ergibt sich ein regelmäßiges ebenes Vieleck, wenn die Anzahl der Ele¬ mente mit der Zahl übereinstimmt, durch die der 360°-Voll- kreis geteilt worden ist. Dabei stimmen die Bohrungsachsen der Öffnungen, die in aneinander anliegenden Anlageflächen vorgesehen sind, miteinander überein. Diese Bohrungsachsen definieren zugleich die Längsachsen der an den Knoten an¬ zuschließenden Tragwerkstäbe, wenn die Öffnungen von einem Befestigungselement, beispielsweise einer Maschinenschrau¬ be durchgriffen sind, die in eine entsprechende, in dem Tragwerkstab vorgesehene Gewindebohrung einzuschrauben ist. Das von den Elementen gebildete Vieleck ist durch die sich bei Schnittlinien schneidenden Ebenen definiert. Das Vieleck ist regelmäßig, wenn der Winkel, unter dem sich die Ebenen schneiden, gleich 180° minus dem von dem Bohrungsachsen eingeschlossenen Winkel ist. Die anzu¬ schließenden Tragwerkstäbe stehen radial von dem Ring weg und liegen in einer gemeinsamen Ebene.
Wird der entstandene Ring an einer Stelle geöffnet und ein Element entfernt, kann er auch mit der verminderten Ele¬ mentezahl geschlossen werden. Dazu werden die Elemente, die bei ihren aufeinanderliegenden Öffnungen mit einem Befestigungselement zusammengehalten sind, gegeneinander um die jeweilige Bohrungsachse verdreht. Die Verdrehung erfolgt dabei derart, daß die Enden des offenen Rings zu¬ sammenfinden und daß sich die Anlageflächen der freien Enden der an der Unterbrechungsstelle stehenden Elemente aufeinanderlegen. Nun kann der aus den Elementen gebildete Knoten wieder geschlossen werden, wobei die die Abgangs- richtung der Tragwerkstäbe definierenden Bohrungsachsen gegen die Ebene, in der sie ursprünglich lagen, geneigt sind. Ist die Anzahl der an den Knoten angeschlossenen Tragwerkstäbe größer als drei, können die Bohrungsachsen und somit die Stäbe in gewissen Grenzen gegeneinander ver¬ schwenkt werden, wobei sich lediglich die Elemente auf ihren Anlageflächen gegeneinander verdrehen. Ausgehend von der vollen Anzahl der für das Knotenstück verwendeten Ele¬ mente kann die Anzahl sukzessive bis auf drei verringert werden, wobei die Bohrungsachsen und somit die Stäbe immer weiter aus der ursprünglichen Ebene herausgehoben werden. Andererseits kann die Anzahl der in dem Ring zusammenge¬ faßten Elemente auch über die obengenannte ganze Zahl hin¬ aus vergrößert werden, wobei sich eine gewisse Verwerfung oder Verwolbung des Rings ausbildet. Auch dieser Ring läßt sich unter Verdrehung der Elemente gegeneinander deformie¬ ren und somit unterschiedlichen gewünschten Geometrien anpassen.
Wenn bei einem Element der Abstand der Bohrungsachse der einen Öffnung von der Schnittlinie mit dem Abstand der Bohrungsachse der anderen Öffnung von der Schnittlinie übereinstimmt, schneiden sich alle Bohrungsachsen des ge¬ samten aus den Elementen gebildeten Ringes in einem ein¬ zigen Punkt. Damit definiert jedes aus den Elementen auf¬ gebaute Knotenstück einen Knotenpunkt, in dem sich die Bohrungsachsen und somit auch die Längsachsen der Stäbe schneiden. Das erleichtert den Aufbau von regelmäßigen, flächigen oder räumlichen Tragwerken.
Die Bohrungsachsen der mit den Elementen aufzubauenden Knotenstücke liegen in jedem Fall auf der Mantelfläche eines Hyperboloids, eines Kegels oder in einer ebenen Flä¬ che. Wenn für den längeren Schenkels die Bedingung:
A = tan-« cos(α-90°) 2 und für den küzeren Schenkels die Gleichung: s+d d
B = tan-« cos(α-90°) 2 erfüllt ist, liegen die Bohrungsachsen bei einem ebenen Knoten in einer Ebene und bei einem entsprechenden räumli¬ chen Knoten auf der Mantelfläche eines Kegels, wobei der Kegel umso schlanker ist, je weniger Elemente in dem Kno¬ tenstück verwendet sind.
Die Ungleichung:
d < — : tan(α-90°) tan-?- 2 liefert dabei das Kriterium für die maximale Dicke eines Elements.
Wenn die von sich schneidenen Ebenen definierte Schnitt¬ linie auf der von den Bohrungsachsen definierten Ebene senkrecht steht, ergeben sich überschaubare geometrische Verhältnisse. Jedoch ist diese Bedingung nicht zwingend, weil sich auch mit davon abweichenden Elementen Knoten¬ stücke aufbauen lassen.
Wenn die Anlageflächen Planflächen sind, können benachbar¬ te Elemente in frei wählbaren Drehstellungen bezogen auf die Bohrungsachse aufeinandergelegt und arretiert werden. Es ist auch möglich, die Anlageflächen zu profilieren, beispielsweise durch radiale Rillen, Erhebungen oder Ver¬ tiefungen, um den Zusammenbau lediglich in vorbestimmten Ausrichtungen zueinander zu gestatten. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Anlageflächen Ringflächen sind, denn diese schränken die Ausrichtung der Elemente zueinander zunächst nicht ein. Die Anlageflächen sollten dabei in ihrer Form und Größe übereinstimmen, weil sich so eine saubere und ungestörte Anlage ergibt.
Um die anzuschließenden Tragwerkstäbe auszurichten sowie um für Befestigungselemente, die meist Maschinenschrauben sind, eine geeignete Angriffsfläche zu schaffen, kann die Öffnung an der der Anlagefläche gegenüberliegenden Seite von einer Hilfsfläche umgeben sein, die zu der Anlageflä¬ che flächenparallel ausgerichtet ist. Weil die Flächennor- male der von der Anlagefläche definierten Ebene parallel zu der Bohrungsachse ist, ist somit auch die Flächennorma¬ le der Hilfsfläche parallel zu der Bohrungsach.se. Somit bietet die Hilfsfläche der Stirnfläche eines anzuschlie¬ ßenden Tragwerkstabes eine definierte Anlage. Liegt die Stirnfläche im rechten Winkel zu der Längserstreckung des Tragwerkstabes, stimmt die Längsachse des Tragwerkstabes mit der Bohrungsachse überein.
Ein sauberer Anschluß des Tragwerkstabes an dem Element wird erreicht, wenn der Durchmesser der Hilfsflache im wesentlichen mit dem Durchmesser eines Tragwerkstabes übereinstimmt. Der Tragwerkstab wird von dem Befesti¬ gungsmittel gegen das Element gespannt. Das die Öffnung durchgreifende Befestigungsmittel stützt sich dabei an der als Ringfläche ausgebildeten Hilfsfläche an der gegenüber¬ liegenden Seite, d.h. an der innenliegenden Seite des Kno¬ tens a .
Einfach und kostengünstig läßt sich das Element fertigen, wenn die Schenkel einstückig miteinander verbunden sind. Das Element kann dann einfach als Stanzteil aus einem nicht zu dünnen Blech ausgestanzt werden, wobei zunächst ein flacher endseitig mit Ösen versehener Steg entsteht. In den Ösen sind die Öffnungen vorgesehen, wobei das fer¬ tige Element durch ein Abwinkein des Steges erhalten wird. Wenn dabei der Biegeradius gering gehalten wird, kann der die Ösen verbindende Steg relativ kurz sein, so daß sich eine gedrungene Bauweise, ein geringer Materialaufwand und eine gute Stabilität ergeben.
Bei ausreichender Festigkeit des verwendeten Materials können die Schenkel schmaler als der Durchmesser der Ösen sein, wodurch sich die Elemente in einem sehr weiten Be¬ reich gegeneinander verschwenken lassen, ohne aneinander anzustoßen. Vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser der Anlagefläche im wesentlichen mit dem Durchmesser der Hilfsfläche über¬ einstimmt. Dies hat zur Folge, daß die Anlagefläche und die Hilfsfläche in ihrer Funktion miteinander vertauscht werden können. Für den Fall, daß bei dem Element die Ab¬ stände der Bohrungsachsen zu der Schnittlinie gleich sind, schneiden sich die Bohrungsachsen des Knotens stets in einem Punkt. Werden jedoch die Anlageflächen und die Hilfsflächen in ihrer Funktion miteinander vertauscht, d.h. dienen die Hilfsflächen als Anlageflächen, ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt. Damit sind die Tragwerkstäbe parallel zu ihrer ursprünglichen Position versetzt. Das hat beispielsweise bei einem sechseckigen Knoten zur Fol¬ ge, daß die sich an dem Knoten gegenüberliegenden Stäbe nicht mehr miteinander fluchten, sondern seitlich gegen¬ einander versetzt, jedoch parallel zueinander sind.
Aus den Elementen aufgebaute Knotenstücke sind Gegenstand des Anspruchs 23 und der darauf bezogenen Unteransprüche.
Ein derartiges Knotenstück ermöglicht den Aufbau sowohl von flächigen als auch von räumlichen Tragwerken.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Raumtragwerk mit aus Elementen aufgebauten Knotenstücken in einer verkleinerten perspekti¬ vischen Darstellung,
Fig. 2 ein Element des Knotenstückes nach Fig. 1 in perspektivischer Darstellung in einem anderen Maßstab,
Fig. 3 ein Flächentragwerk mit einem ebenen, sechs An¬ schlüsse aufweisenden Knotenstück in einer aus¬ schnittsweisen Darstellung und in einem anderen Maßstab, Fig. 4 ein aus Elementen für ein sechseckiges Knoten¬ stück nach Fig. 2 aufgebautes Knotenstück mit fünf Abgängen.
Fig. 5 die geometrischen Verhältnisse an einem Element für ein sechseckiges Knotenstück in schemati¬ sierter Darstellung.
Fig. 6 ein ebenes Tragwerk mit einem fünf Abgänge auf¬ weisenden ebenen Knotenstück in einer aus¬ schnittsweisen Darstellung,
Fig. 7 ein ebenes Tragwerk mit einem ebenen Knotenstück mit sieben Abgängen in einer ausschnittsweisen Darstellung und
Fig. 8 ein ebenes Tragwerk mit einem ebenen Knotenstück mit acht Abgängen in einer ausschnittsweisen Darstellung.
In Fig. 1 ist ein Raumtragwerk 1 mit insgesamt zwölf Trag¬ werkst ben 2 dargestellt. Die Tragwerkstäbe 2 sind an den Kanten eines regulärer Oktaeders angeordnet. An den Ecken des Oktaeders sind Knotenstücke 3 angeordnet, mit denen die Tragwerkstäbe 2 endseitig verschraubt sind. Die Kno¬ tenstücke 3 sind aus mehreren untereinander gleichen Ele¬ menten 4 aufgebaut, die die Tragwerkstäbe 2 miteinander verbinden. Die Elemente 4 sind in der Art einer Kette zu einem geschlossenen Ring zusammengefügt.
Ein solches Element 4 ist in Fig. 2 isoliert dargestellt. Es weist einen kürzeren Schenkel 6 und einen mit diesem einstückig verbundenen längeren Schenkel 7 auf. Beide Schenkel 6, 7 haben eine übereinstimmende Breite von unge¬ fähr 8 mm und eine Dicke von etwa 3 mm. Sie gehen bei 8 mit einem geringen Biegeradius einstückig ineinander über, wobei sie miteinander einen Winkel von 120° einschließen.
Sowohl an dem kürzeren Schenkel 6 als auch an dem längeren Schenkel 7 sind endseitig jeweils Ösen oder Augen 9, 10 vorgesehen, deren kreisrunde Öffnung 12 einen Durchmesser aufweist, der größer als die Breite der Schenkel ist und deren Bohrungsachse 13 senkrecht zu einer Ebene steht, die von einem die Öffnung 12 umgebenden ringförmigen Anlage¬ fläche 14 definiert ist. Die Anlagefläche 14 liegt dabei auf der Seite des Elementes 4, zu der sich der von den Schenkeln 6, 7 eingeschlossene Winkel hin öffnet. Diese Seite wird wird im folgenden Innenseite 15 genanntv
Ebenso weist der längere Schenkel 7 in seiner Ose 10 eine ebenfalls kreisrunde Öffnung 17 mit einer Bohrungsachse 18 auf. Die Öffnung 17 ist von einer ringförmigen Anlageflä¬ che 19 umgeben, die jedoch nicht auf der Innenseite 15, sondern auf einer dieser gegenüberliegenden Außenseite 21 des Elementes 4 angeordnet ist. Auch die Bohrungsachse 18 steht senkrecht auf einer von der Anlagefläche 19 defi¬ nierten Ebene.
Der Anlagefläche 14 liegt auf der Außenseite 21 des Ele¬ mentes 4 eine ringförmige Hilfsfläche 23 gleicher Größe gegenüber. Umgekehrt ist eine Hilfsfläche 24 der Anlage¬ fläche 19 gegenüberliegend auf der Innenseite 15 des Ele¬ mentes 4 vorgesehen.
Die Anlageflächen 14 und 19 stehen in einem Winkel von 120° zueinander.
Ein aus sechs der in Fig. 2 dargestellten Elemente 4 auf¬ gebautes ebenes Knotenstück 3 ist in Fig. 3 dargestellt. Eben deswegen, weil bei diesem Knotenstück alle Bohrungs¬ achsen 13, 18 in einer Ebene liegen. Die Elemente 4 liegen mit ihren Anlageflächen 14, 19 flächig aneinander an, wo¬ bei die entsprechenden Öffnungen 12, 17 jeweils miteinan¬ der fluchten. An den Hilfsflächen 23 liegen die Tragwerk¬ stäbe 2 mit ihren jeweiligen Stirnflächen plan an.
Zum Zusammenhalten von je zwei aneinander anliegenden Ele¬ menten 4 und zum Befestigen des Tragwerkstabs 2 an diesen Elementen 4 ist je eine Maschinenschraube 26 vorgesehen, die die Öffnungen 12, 17 durchgreift und axial in den zugehörigen Tragwerkstab 2 eingeschraubt ist.
Während der in Fig. 3 dargestellte aus sechs Elementen 4 bestehende Knoten 3 ein ebener Knoten ist, bei dem alle abgehenden Tragwerkstäbe 2 in einer gemeinsamen Ebene lie¬ gen, wird durch Herausnahme eines Elementes 4 aus dem Kno¬ tenstück 3 das in Fig. 4 dargestellte räumliche Knoten¬ stück 3' erhalten. Das Knotenstück 3' besteht aus insge¬ samt fünf Elementen 4, die um die von den Öffnungen 12, 17 definierten Bohrungsachsen 13, 18 soweit gegeneinander verdreht sind, daß auch mit der um eins verringerten An¬ zahl von Elementen 4 die Anlageflächen 14, 19 plan anein- ander anliegen. Die Bohrungsachsen 13, 18 liegen entweder auf einem Kegelmantel oder einem Hyperboloid. Die von dem Knotenstück 3' abgehenden Tragwerkstäbe 2 liegen folglich in keiner gemeinsamen Ebene zueinander, sondern gehen in einem Winkel ab, der den Aufbau von räumlichen Tragwerken ermöglicht.
Wird ein weiteres Element 3' entfernt, ergibt sich ein Knotenstück mit vier abgehenden Tragwerkstaben 2, wie es zum Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Oktaeders verwendet worden ist. Wenn schließlich nur noch drei Elemente 4 ver¬ wendet werden, wird ein Knotenstück für die Ecke eines Würfels erhalten.
Zur Darstellung der geometrischen Verhältnisse an dem Ele¬ ment 4 ist in Fig. 5 ein einzelnes Element 4 dargestellt. Die Dicke d des Elementes 4 ist dabei lediglich zur bes¬ seren Veranschaulichung der Geometrie größer als bei dem in Fig. 2 dargestellten Element 4 gewählt worden. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, definieren die Anlageflächen 14, 19 Ebenen 31, 32, die sich bei einer Schnittlinie 33 schnei¬ den. Bei einer Fortsetzung des Knotenstückes 3 mit weite¬ ren Elementen 4 bilden deren jeweilige Ebenen 31, 32 in der Zeichenebene ein Sechseck 34. Wie die gesondert darge¬ stellte Schnittlinie 33 bilden die entsprechenden Schnitt¬ linien der Ebenen die Eckpunkte des Sechsecks 34. Das Sechseck 34 ist regelmäßig, so daß alle Seiten gleich lang sind und an jedem Eckpunkt ein gleicher Innenwinkel α ein¬ geschlossen ist.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Element 4 sind die Abstän¬ de der Bohrungsachsen 13, 18 der Öffnungen 12, 17 zu der Schnittlinie 33 gleich. Darüber hinaus stehen die Bohrungsachsen 13, 18 auf den jeweiligen Ebenen 31, 32 jeweils senkrecht. Dadurch schneiden sich die Bohrungsach¬ sen 13, 18 in einem Punkt M, der für alle Elemente 4 iden¬ tisch ist. Außerdem geht eine Winkelhalbierende 35 des In¬ nenwinkels α durch den Punkt M. Folglich liegen auch die abgehenden Tragwerkstäbe 2 koaxial zu sich in dem Punkt M schneidenden Achsen, was den Aufbau von regelmäßigen räum¬ lichen Tragwerken erleichtert.
Für die an der Innenseite 15 gemessene Länge A des länge¬ ren Schenkels 7 ergibt sich unter Berücksichtigung seines Abstandes s von dem Schnittpunkt M:
__ = tan-?- cos(cc-900) 2
und für die an der Innenseite 15 gemessene Länge B des kürzeren Schenkels 6 ergibt sich:
B = s+d tan-« cos(α-90°)
Daraus ergibt sich die maximale Dicke d des Elemntes 4 zu:
d < — : tan(α-90°) . tan-«- 2
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ergeben sich bei Nichtein¬ haltung der durch die obigen Formeln bestimmten Längen A, B Elemente 4, die zu Knotenstücken 3 ohne einheitlichen Schnittpunkt M führen. Die sich gegenüberliegenden abge¬ henden Tragwerkstäbe 2 liegen auf zueinander parallelen Achsen, die seitlich gegeneinander versetzt sind. Jedoch beträgt auch bei diesen Elementen 4 der von den Ebenen 31, 32 und somit von den Schenkeln 6, 7 eingeschlossene Winkel 120°.
Aus Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Knotenstücks 3 ersichtlich, bei dem fünf Elemente 4' einen ebenen Knoten mit fünf Abgängen für Tragwerkstäbe 2 ergeben. Alle Trag¬ werkstäbe 2 liegen in einer gemeinsamen Ebene. Die Bohrungsachsen 13, 18 der von Maschinenschrauben 26 durch¬ griffenen Öffnungen 12, 17 schneiden sich in einem Punkt M. Die Schenkel 6, 7 schließen einen Winkel von 108° ein, so daß sich bei Verwendung gleicher Elemente 4 ein regel¬ mäßiges Fünfeck ergibt. Auch dieses Knotenstück 3 kann durch Herausnahme von einem Element 4' zu einem räumlichen Knoten mit vier abgehenden Tragwerkstaben gemacht werden. Diese liegen entsprechend den Bohrungsachsen 13, 18 dann nicht in einer Ebene, sondern gehen schräg ab. Außerdem kann ein weiteres Element 4' herausgenommen werden, so daß der Knoten lediglich noch drei schräg abgehende Tragwerk¬ stäbe 2 aufweist.
In der Fig. 7 ist ein Knotenstück 3 dargestellt, bei dem Elemente 4'' mit einem Winkel von 128,57° verwendet worden sind. Sieben solcher Elemente ergeben einen geschlossenen Ring, bei dem die abgehenden Tragwerkstäbe 2 in einer ge¬ meinsamen Ebene liegen. Durch Herausnahme von Elementen 4' ' kann auch dieser Knoten zu einem räumlichen Knoten gemacht werden, bei dem die Tragwerkstäbe schräg abgehen.
Das gleiche gilt für das in Fig. 8 dargestellte Knoten¬ stück 3, das aus Elementen 4''' aufgebaut ist, deren Schenkel 6, 7 jeweils einen Winkel von 135° miteinander einschließen.
Bei Bedarf können Elemente mit unterschiedlichen Winkeln an einem Knoten kombiniert werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn von einer regelmäßigen Tragwerkstruk¬ tur auf eine andere Tragwerkstruktur übergegangen werden soll. Außerdem können damit ebene Knoten zusammengestellt werden, die ein ungleichseitiges unregelmäßiges Vieleck sind.

Claims

Patentansprüche
1. Element (4) zum Aufbau von Knotenstücken (3) für Flä¬ chen- und Raumtragwerke,
mit einem ersten und einem zweiten Schenkel (6, 7), die starr miteinander verbunden sind,
mit einer ersten Öffnung (12) , die durch den ersten Schenkel (6) in der Nähe seines freien Endes zur Auf¬ nahme eines ersten Befestigungsmittels (26) geht, mit dem das Element (4) an ein diesem Schenkel (6) be¬ nachbartes Element (4) anschließbar ist,
mit einer zweiten Öffnung (17) , die durch den zweiten Schenkel (7) in der Nähe seines freien Endes zur Auf¬ nahme eines zweiten Befestigungsmittels (26) geht, mit dem das Element (4) an ein weiteres, diesem Schenkel (7) benachbartes Element (4) anschließbar ist,
wobei die Öffnungen (12, 17) eines Elementes (4) Boh¬ rungsachsen (13, 18) definieren, die sich in einem Punkt schneiden und die eine Ebene definieren,
die sich schneidenden Bohrungsachsen (13, 18) einen Winkel einschließen, der 360° geteilt durch eine ganze Zahl beträgt, die größer als zwei ist, und wobei das Element (4) zwei Seiten (15, 21) auf¬ weist, von denen die Seite, die dem Schnittpunkt der Bohrungsachsen (13, 18) benachbart ist, eine Innen¬ seite (15) und die von dem Schnittpunkt abliegende Seite eine Außenseite (18) definieren,
mit wenigstens einer an dem ersten Schenkel (6) an¬ geordneten ersten Anlagefläche (14) , die die erste Öffnung (12) auf der Innen- oder Außenseite (15, 21) des Elements (4) umgibt und die in einer ersten Ebene (31) liegt, deren Normale parallel zu der Bohrungs¬ achse (13) der ersten Öffnung (12) ist,
mit wenigstens einer an dem zweiten Schenkel (7) an¬ geordneten zweiten Anlagefläche (19) , die die zweite Öffnung (17) auf der Außen- oder Innenseite (21, 15). des Elements (4) umgibt und die in einer zweiten Ebe¬ ne (32) liegt, deren Normale parallel zu der Bohrungsachse (18) der zweiten Öffnung (17) ist,
wobei sich die Ebenen bei einer Schnittlinie (33) schneiden und einen Winkel einschließen, der gleich 180° minus dem von den Bohrungsachsen (13, 18) einge¬ schlossenen Winkel ist,
und wobei die Anlagefläche (14) an der Innenseite (15) des betreffenden Schenkels (7) , gemessen ab der zugehörigen Bohrungsachse (13) , in Richtung auf die Schnittlinie (33) der Ebenen (31, 32) zu eine Er¬ streckung aufweist, die wenigstens genau so groß ist wie der Abstand der Bohrungsachse (18) der an der Außenseite liegenden Anlagefläche (19) zum Ende des freien Endes des zugehörigen Schenkels (7) .
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die jeweiligen Abstände der Bohrungsachsen (13, 18) der Öffnungen (12, 17) von der Schnittlinie (33) mitein¬ ander übereinstimmen.
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Bohrungsachsen (13, 18) der Öffnun¬ gen (12, 17) von der Schnittlinie (33) derart festge¬ legt sind, daß sich die Bohrungsachsen (13, 18) und die Winkelhalbierenden in einem Punkt (M) schneiden. 4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenseite (15) gemessene Länge (A) des längeren Schenkels (7) unter Berücksichtigung seines Abstandes (s) von dem Schnittpunkt (M) :
-, -7 tan-« cos(α-90°)
beträgt.
Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenseite (15) gemessene Länge (B) des kürzeren Schenkels (6) :
B = _s+c? d tan-« cos(α-90°)
beträgt.
6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Dicke (d) des Elemntes (4) zu:
d < -— : tan(α-90°) tan-«- 2 festgelegt ist.
7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den sich schneidenden Ebenen definierte Schnittlinie (33) auf der von den Bohrungsachsen (13, 18) definierten Ebene senkrecht steht.
8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (14, 19) Planflächen sind.
9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (14, 19) Ringflächen sind. 10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (14, 19) in ihrer Form und Größe übereinstimmen.
11. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (12, 17) an der der Anlagefläche (14, 19) gegenüberliegenden Seite von einer Hilfsfl che (23, 24) umgeben ist, die zu der Anlagefläche (14, 19) flächenparallel ausgerichtet ist.
12. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfläche (23, 24) eine als Anlagefläche (14, 19) für einen zu befestigenden Tragwerksstab (2) die¬ nende Ringfläche ist.
13. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Hilfsfläche (23, 24) im wesentli¬ chen mit dem Kopfdurchmesser einer als Befestigungs¬ element verwendeten Maschinenschraube (26) überein¬ stimmt.
14. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Hilfsfläche (23, 24) im wesentli¬ chen mit dem Durchmesser eines Tragwerkstabes (2) übereinstimmt.
15. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfläche (23, 24) eine als Anlagefläche für ein die Öffnung (12, 17) durchgreifendes Befesti¬ gungsmittel (26) dienende Ringfläche ist.
16. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (6, 7) einstückig miteinander verbunden sind.
17. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (6, 7) bei einer Biegelinie mit einer Biegung mit geringem Biegeradius ineinander überge¬ hen.
18. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) bei den Öffnungen (12, 17) und den Schenkeln (6, 7) eine gleichmäßige Dicke aufweist.
19. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schenkel (6, 7) eine Breite aufweist, die gerin¬ ger ist als der Durchmesser der Öse (9, 10) .
20. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Anlagefläche (14, 19) im wesent¬ lichen mit dem Durchmesser der Hilfsfläche (23, 24) übereinstimmt.
21. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) aus Blech ausgestanzt ist.
22. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (4) aus Stahl hergestellt ist.
23. Knotenstück (3) bestehend aus Elementen (4) nach ei¬ nem der vorstehenden Ansprüche,
mit Befestigungselementen (26) , deren Anzahl gleich der Anzahl der verwendeten Elemente (4) ist,
wobei die Elemente (4) derart zu einem geschlossenen vieleckigen Ring angeordnet sind, daß einem beliebig ausgewählten Element (4) jeweils ein erstes und ein zweites benachbartes Elemente (4) zugeordnet sind,
wobei das erste benachbarte Element (4) mit seiner auf der Außenseite (21) liegenden Anlagefläche (19) an der auf der Innenseite (15) liegende Anlagefläche (14) des ausgewählten Elements (4) anliegt und das zweite benachbarte Element (4) mit seiner auf der Innenseite (15) liegenden Anlagefläche (14) an der auf der Außenseite (21) liegenden Anlagefläche (19) des ausgewählten Elements (4) anliegt.
24. Knotenstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (12, 17) des ausgewählten Elements (4) mit jeweils einer Öffnung (17, 12) des benachbar¬ ten Elements (4) fluchtet.
25. Knotenstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (26) in stirnseitige Gewindebohrungen der Tragwerkstäbe (2) einzuschrau¬ bende Maschinenschrauben (26) sind.
26. Knotenstück nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (26) die miteinander fluchtenden Öffnungen (12, 17) der Elemente (4) durchgreift.
27. Knotenstück nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4) von dem Befestigungselement (26) zusammengehalten sind.
28. Knotenstück nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragwerkstäbe (2) von den Befestigungselemen¬ ten (26) an dem Knotenstück (3) gehalten sind.
29. Knotenstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elemente (4) gleich der ganzen Zahl ist, die sich ergibt, wenn der Winkel von 360° durch den von den Bohrungsachsen (13, 18) einge¬ schlossene Winkel geteilt wird.
30. Knotenstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elemente (4) größer als die ganze Zahl ist, die sich ergibt, wenn der Winkel von 360° durch den von den Bohrungsachsen (13, 18) einge¬ schlossenen Winkel geteilt wird.
31. Knotenstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elemente (4) kleiner als die ganze Zahl ist, die sich ergibt, wenn der Winkel von 360° durch den von den Bohrungsachsen (13, 18) einge¬ schlossenen Winkel geteilt wird, wobei die Anzahl der Elemente (4) nicht kleiner als drei ist.
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