WO2018058165A1 - Verfahren zur herstellung von einfach gekrümmten und zweifach gekrümmten schalen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von einfach gekrümmten und zweifach gekrümmten schalen Download PDF

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WO2018058165A1
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curved
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segments
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Benjamin KROMOSER
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Technische Universität Wien
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    • E04B2001/3594—Extraordinary methods of construction, e.g. lift-slab, jack-block using special lifting or handling devices, e.g. gantries, overhead conveying rails inflatable lifting or handling devices

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of simply curved trays and doubly curved trays.
  • Particularly suitable for the production of curved surfaces are materials that can be cast, such as Reinforced concrete, plastics, water or ice.
  • Curved shells are characterized by the fact that, when suitably shaped and stored, they remove loads predominantly by normal forces. This leads to an extremely low material utilization and low material consumption. The savings in material consumption but are faced with a high cost of labor costs and material for the production of formwork.
  • Performed Bogentrag works and shell structures, as for example in "domes of all times - all cultures of Erwin Heinle and Jörg Schiaich, DVA, Stuttgart, 1996 and” Heinz Isler - shells "by Ekkard Ramm and Eberhard Schunk (eds.), Karl Krämer Verlag , Stuttgart, 1986, p. 51, 68, 70, 77, generally have complicated, spatially curved formwork of wood, steel, plastic or milled hard foam blocks.
  • the disadvantage is that the application of the building material of the shell in thin layers, e.g. by shotcrete, because the load capacity of the tires for evenly distributed loads is high, but local loads lead to large deformations of the tires.
  • pneu generally refers to an inflatable structure.
  • EP 1 706 553 Since applying the shotcrete to the tire to produce a concrete shell or spraying water onto the tire to make an ice tray is a laborious manufacturing process, EP 1 706 553 has proposed mounting a plate of pourable material, such as e.g. Produce concrete or water or ice on a flat work surface and then transform the monolithic plate into a shell by inflating a tire and tensing tendons.
  • a disadvantage of this method is that the curvature of the shell to be produced by this method is limited, because the compressive stresses arising in the soft material during the forming process could lead to a stability failure of the areas with soft material. The areas of soft material are therefore limited to small dimensions.
  • Brittle building materials such as concrete and water or ice, must "break" into the correct shape during the forming process, which entails an increased risk of deviating from the intended shape, and all edges and all wedge-shaped recesses in the plate must open to be shouted once.
  • the invention has for its object to provide an improved method for producing single and double curved trays without the construction of a spatially curved formwork and the associated scaffold, which is not limited to small spans and curvatures and the same segments the cost of manufacturing the formwork is reduced.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • At least one flexible tension member slidably formed with respect to the shell segments on opposite side edges of a base surface of the single curved shell or circumferentially on an outer edge of a base surface of the double curved shell; - Performing the shaping process, comprising the lifting and bending of the shell segments by blowing air into the tire and / or under tensile load of the at least one tension member.
  • the individual elements are expediently formed of pourable materials such as concrete, reinforced concrete, fiber concrete, textile-reinforced concrete, generally non-metallic reinforced concrete, reinforced or non-reinforced plastic, or reinforced or non-reinforced ice, since these materials ensure a high stability of the shell.
  • tension members are expediently formed from tension wire strands, monolayers, stainless steel strands or from fiber-reinforced plastic because they have the necessary tensile strength and flexibility.
  • a first film and a second film is formed.
  • one or more Gaseinleitvoriquesen are provided on the upper foil.
  • the films suitably consist of polyvinyl chloride, polyethylene, nylon or generally reinforced or unreinforced thin air-impermeable membranes in all conceivable variants.
  • the attachment of a load along the outer edge of the base area is carried out by either weighted with additional weights, such as load weights, and / or the thickness of the shell segments along the outer edge of the base surface is formed larger than the thickness the inner regions of the shell segments.
  • the elements are optionally by connecting means, preferably in the region of the side edges of the shell segments in the shell segments are poured, connected to each other at the side edges of the shell segments.
  • connecting means preferably in the region of the side edges of the shell segments in the shell segments are poured, connected to each other at the side edges of the shell segments.
  • Simply curved shells are preferably joined at the side edges prior to the forming process, and doubly curved shells are joined at the side edges preferably after the forming process.
  • the joints are optionally filled after the forming process with a hardening potting material, whereby a high stability of the shell thus formed is ensured.
  • cement mortar, synthetic resin, plastic or water has proven itself as potting material.
  • the connecting means of two adjacent shell segments are automatically aligned with respect to each other during the forming process at the side edges of the shell segments, wherein the connecting means before or after the forming process tensile strength and possibly rigidly connected to each other, preferably screwed.
  • the entire base surface of the single-curved shell or the double-curved shell is not covered with shell segments, whereby recesses are formed which form one or more predetermined recesses in the single-curved shell or the double-curved shell. These recesses can then be covered, for example, with transparent material.
  • the shell segments can be connected to each other at the recess edge of the recess by a ring, for example made of steel, rigid, the shell segments can be connected, for example by means of molded connection means with the ring. As a result, a very fast assembly is possible.
  • an additional layer of a building material is applied to the simply curved shell or the doubly curved shell after the shaping process of the shell segments and optionally after connecting the connecting means, with the simply curved shell or the doubly curved shell is shear-resistant connected.
  • the doubly curved shell is biased after filling the joints in the lower region, so that a pressure ring is formed. Thereafter, the doubly curved shell is lifted by at least three supports arranged along the edge of the shell by means of a lifting device. This will a very fast and cost-effective installation of a shell-covered structure allows
  • FIG. 1 shows a rectangular, preferably reinforced, shell segment for producing a simply curved shell according to a first exemplary embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 2 is a cross-section A-A of Fig. 9, showing an exemplary embodiment of cast-in connecting means of adjacent shell segments before and after bonding;
  • FIG. 3 shows the tray segment from FIG. 1 during pre-breaking by means of a jig;
  • FIG. Fig. 4 on a Pneu launched and arranged shell segments for producing a simply curved shell;
  • FIG. 5 shows the shell segments from FIG. 4 during the shaping process
  • FIG. 6 shows a simply curved shell after the shaping process, produced according to the first exemplary embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 7 shows a petal-shaped, preferably armored, shell segment for producing a doubly curved shell according to a second exemplary embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 8 shows the tray segment from FIG. 7 during pre-breaking by means of a jig;
  • FIG. Fig. 9 on a Pneu launched and arranged shell segments for producing a doubly curved shell;
  • FIG. 12 shows the double-curved shell of FIG. 11, with the doubly curved shell raised on supports
  • FIGS. 1 to 6 are identical in the following, reference is made to FIGS. 1 to 6:
  • a first embodiment of the method according to the invention illustrates the production of a single curved shell 1 of several rectangular shell segments 2.
  • Die Shell 1 could be used, for example, as a tunnel element or as a game bridge for roads or railroad tracks.
  • a rectangular shell segment 2 according to FIG. 1 is produced, this shell segment 2 being cast, for example, from concrete and reinforced with steel. If this first step is carried out under controlled conditions in a precast plant, the shell segment 2 and all other shell segments 2 can be optimized with regard to production time, production costs and quality.
  • controlled conditions here refer to conditions which are present, for example, in a precast plant optimized for the production of prefabricated parts, and which are usually not available on a conventional construction site Such conditions include, for example, the extensive exclusion of climatic and weather influences, constant quality of the building material , constant curing conditions, optimized and equal casting molds for all shell segments 2, etc.
  • predetermined breaking points can be introduced into the shell segments 2 by impressing notches in the cast, not yet hardened building material or by inserting built-in parts, or by subsequently cutting grooves into the hardened building material.
  • the shell segments 2 can later be adapted particularly well to their final shape as part of the shell 1.
  • connecting means 4 can be cast into the shell segments 2.
  • the shell segments 2 can be connected.
  • the connecting means 4 can be attached to the shell segments 2 only after the curing of the building material. An exemplary embodiment of this connection means 4 is shown in FIG.
  • the breaking of the shell segments 2 by means of a breaking device 5 forms a convex or concave support surface 23 for at least one shell segment 2, to which support surface 23rd the shell segments 2 are adjusted simultaneously or successively by the pre-breaking.
  • the shell segments 2 are pulled by means of tensile forces 6 on the positive convex shape of the teaching and adapted to the positive shape of the teaching.
  • the sheet can also have a concave negative mold and the shell segments 2 are by means of compressive forces, For example, by means of an inflatable tire, pressed into the negative mold, and adapted to the negative shape of the sheet gauge. If this second step is likewise carried out under controlled conditions in the precast plant, the pre-crushed shells can also be optimized in terms of production time, production costs and quality.
  • controlled conditions here refer to conditions which are present, for example, in a precast plant optimized for the production of prefabricated parts, and which are usually not available on a conventional construction site
  • Such conditions include, for example, an optimized formwork, or an optimized form, which is the same for all shell segments 2 Crushing device 5 for breaking the shell segments 2, or optimized tools for introducing the predetermined breaking points in the shell segments 2 in order to optimize the pre-breaking of the shell segments 2, or optimized tools for introducing and pouring the connecting means 4, etc.
  • the pre-broken shell segments 2 are then loaded standing or lying on a means of transport, for example a truck, and transported to a construction site where the simply curved shell 1 is to be erected.
  • the shell segments 2 can be transported to the construction site prior to breaking.
  • the breaking of the shell segments 2 by means of a breaking device 5 then takes place only on the construction site.
  • This variant can be advantageous, for example, if the transport of the shell segments 2 in the piece, ie unbroken, is advantageous, or if the shape of the breaking device 5 is determined later on the construction site, or if the breaking device 5 is already on the construction site ,
  • a tire is placed on a, preferably flat, base 7 of the construction site.
  • the tire which is not shown in the figures, may for example consist of a first film and a second film, which are sealed together at their edges.
  • the material for the first and the second film for example, polyvinyl chloride, polyethylene or nylon and generally air-impermeable membranes in all commercial variants can be used.
  • a gas-permeable layer for example a fleece, may be arranged between the first film and the second film.
  • the pre-broken shell segments 2 are placed on the tire and arranged such that the arrangement of the shell 1 in its non-curved, preferably flat, shape according to Figure 4 shows which shape has a surface corresponding to a base surface 8 of the single curved shell 1.
  • the entire base surface 8 of the single-curved shell 1 is covered with shell segments 2, whereby recesses are formed, which form in the single-curved shell 1 one or more predetermined recesses. These recesses can then be covered, for example, with transparent material.
  • the individual shell segments 2 are subsequently connected.
  • This can be done by means of the cast-in connection means 4, which are connected to each other, for example, by means of a screw connection 14 in a shear-resistant and rigid manner.
  • simply curved trays 1 are joined together along the side edges 3 prior to the forming process.
  • Such connections of the individual shell segments 2 take place by means of connecting means 4, which can form a tension-resistant, pressure-resistant and rigid connection.
  • a fifth step 8 flexible tension members, which are designed to be displaceable relative to the shell segments 2, are additionally attached to the mutually opposite side edges 9 of the base surface 8.
  • These tension members could be formed for example of monostrands, stainless steel strands or fiber-reinforced plastic.
  • the layer thickness 11 of the shell segments 2 can be increased in the region of the side edges 9 in order to create an additional load.
  • This additional load could also be created by load segments mounted on the side panels 9 on the shell segments 2.
  • the shaping process is carried out.
  • the shell segments 2 are raised and curved, so that they form the single-curved shell 1 in the final state, that is, after the shaping process.
  • the lifting and bending of the shell segments 2 takes place by blowing air into the tire, for example between the first film and the second film, whereby compressive forces 12 act on the shell segments 2, and under tensile load of the tension members, whereby in the region of the side edges 9 of the shell segments 2 tensile forces 13 act on the shell segments 2.
  • the shaping process can also be carried out exclusively by means of the pneus or exclusively by means of the tension members.
  • the individual shell segments 2 can be connected only after the molding process. This can be done by means of the cast-in connection means 4, which are shear-resistant and rigidly connected to each other by means of the screw connection 14, wherein the connecting means 4 of two adjacent shell segments 2 align automatically at the side edges 3 during the molding process against each other, and wherein between two adjacent shell segments 2, the joint 15 may remain.
  • the joints 15 can then be additionally filled with a hardening potting material, whereby the, caused by the deformation of the elements cracks are backfilled and a high stability of the single-curved shell 1 is ensured.
  • potting material for example cement mortar, synthetic resin, plastic or water can be used.
  • a layer consisting of a building material, such as shotcrete, are applied, which is connected to the single-curved shell 1 shear-resistant.
  • Fig. 6 shows the simply curved shell 1 with a recess 17 in its final state.
  • the recess 17 serves as an entrance.
  • the recess may serve as a light inlet, in particular as a window opening, or the like.
  • FIGS. 7 to 10 are identical in the following, reference is made to FIGS. 7 to 10:
  • a second embodiment of the method according to the invention explains the production of a doubly curved shell 10 from a plurality of petal-shaped shell segments 20.
  • the shell 10 could, for example, be used quite generally as a dome roof or more specifically as a hall roofing.
  • a petal-shaped shell segment 20 according to FIG. 7 is produced, this shell segment 20 being cast, for example, from concrete and reinforced with steel. If this first step is carried out under the previously described controlled conditions in a precast plant, the shell segment 20 and all others Shell segments 20 are optimized in terms of manufacturing time, manufacturing costs and quality.
  • predetermined breaking points can be introduced into the shell segments 20 by impressing notches in the cast, not yet hardened building material or by inserting built-in parts, or by subsequently cutting grooves into the hardened building material.
  • the shell segments 20 can later be adapted particularly well to their final shape as part of the shell 10.
  • connection means 4 can be cast into the shell segments 20 in the region of the side edges 3 of the shell segments 20.
  • the shell segments 20 can be connected.
  • the connecting means 4 are attached to the shell segments 20 only after the curing of the building material. An exemplary embodiment of this connection means 4 is shown in FIG.
  • the breaking of the shell segments 20 by means of a breaking device 5 forms a convex or concave support surface 24 for at least one shell segment 20, to which support surface 24th the shell segments 20 are adjusted simultaneously or sequentially by the pre-breaking.
  • the shell segments 20 are pulled by means of tensile forces 6 on the positive convex shape of the teaching and adapted to the positive shape of the teaching.
  • the sheet can also have a concave negative mold and the shell segments 20 are pressed by means of compressive forces, for example by means of an inflatable tire, in the negative mold, and adapted to the negative shape of the sheet gauge. If this second step is likewise carried out under the previously described controlled conditions in the precast plant, here too the pre-broken shell segments 20 can be optimized with regard to manufacturing time, production costs and quality.
  • the pre-broken shell segments 20 are then placed upright or on a means of transport, for example a truck, loaded and transported to a construction site where the double-curved shell 10 is to be erected.
  • a means of transport for example a truck
  • the shell segments 20 can be transported to the construction site prior to breaking.
  • the breaking of the shell segments 20 by means of a breaking device 5 then takes place only on the construction site.
  • This variant can be advantageous, for example, if the transport of the shell segments 20 in the piece, so unbroken, is advantageous, or if the shape of the breaking device 5 is set later on the site, or if the crushing device 5 is already on the site.
  • a tire is placed on a, preferably flat, base 7 of the construction site.
  • the tire which is not shown in the figures, may for example consist of a first film and a second film, which are sealed together at their edges.
  • the material for the first and the second film for example, polyvinyl chloride, polyethylene or nylon and generally air-impermeable membranes in all commercial variants can be used.
  • a gas-permeable layer for example a fleece, may be arranged between the first film and the second film.
  • the pre-broken shell segments 20 are placed on the tire, arranged and assembled, for example by means of a compound as shown in Figure 2, the arrangement results in the shell 10 in its non-curved, preferably planar shape according to Figure 9, which Form has a surface corresponding to a base surface 80 of the double-curved shell 10.
  • the entire base surface 80 of the doubly curved shell 10 is covered with shell segments 2, whereby recesses 16 are formed which form one or more predetermined recesses 17 in the doubly curved shell 10.
  • These recesses 17 can then be covered, for example, with transparent material.
  • a recess 16 is located in the middle of the base surface 80 of the doubly curved shell 10.
  • the shell segments 20 can hereby additionally be rigidly connected to each other at the recess edge 18 of this recess 16 by a ring, for example made of steel.
  • the shell segments 20, for example, by means of cast-in connection means 4, in particular before the molding process, are connected to the ring, whereby a very fast assembly is made possible.
  • a flexible tension member is additionally mounted displaceably relative to the shell segments 20 in the circumferential direction on an outer edge 19 of the base surface 80.
  • This tension member may for example consist of a greased and arranged in a polyethylene cladding tension wire strand, or be formed from monostrands, stainless steel strands or fiber-reinforced plastic.
  • the layer thickness 11 of the shell segments 20 may be increased in the region of the outer edge 19 in order to create an additional load. This additional load could also be provided by load segments 21, shown in FIG. 11 and attached to the shell segments 20 in the region of the outer edge 19.
  • the shaping process is performed.
  • the shell segments 20 are raised and curved, so that the doubly curved shell 10 is formed in the final state, ie after the shaping process.
  • the lifting and bending of the shell segments 20 takes place by blowing air into the tire, for example between the first film and the second film, and by tensioning the tension member.
  • the tension member laid along the outer edge 19 in this case exerts deflecting forces in the region of the outer edge 19 on the shell 10.
  • the shaping process can also be carried out exclusively by means of the pneus or exclusively by means of the tension member, wherein in the second case at least one lifting of the shell segments, for example on the ring which is attached to the recess edge 18 of the recess 16, is performed.
  • the individual shell segments 20 can be tension-resistant along the side edges 3 after the shaping process and / or rigidly connected to each other. This can be done by means of the cast-in connection means 4. During the molding process, the distance between the shell segments 20 becomes smaller and the joints 15 become smaller, whereby the connecting means 4 of two adjacent shell segments 20 preferably automatically align against each other at the side edges 3 during the molding process, and a joint 15 remains between two adjacent shell segments 20 can. Alternatively, the shell segments 20 of the double-curved shells 10 are connected to each other at the side edges 3 tensile strength exclusively after the forming process, wherein the connecting means 4 are inserted or attached after the molding process.
  • the joints 15 can then be additionally filled with a hardening potting material, whereby a high stability of the double-curved shell 10 is ensured.
  • potting material for example cement mortar, synthetic resin, plastic or water can be used.
  • a layer consisting of a building material, such as shotcrete are applied, which is connected to the doubly curved shell 10 shear-resistant.
  • Fig. 10 shows the double-curved shell 10 in its final state.
  • FIGS. 11 and 12 show a doubly curved shell 10 after the shaping process according to a further exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • the shell 10 is biased in the circumferential direction along the outer edge 19.
  • the shell 10 has in the region of the outer edge 19 Auflastsegmente 21, whereby an additional load for an improved implementation of the shaping process is created.
  • four supports 22 are arranged along the edge 19 of the double-curved shell 10.
  • a lifting device for example, at least one (construction) crane or with the help of Litzenhebern
  • the shell 10 can be lifted at these supports 22.
  • the shell can be lifted by means of the lifting device onto a building, wherein the shell 10 is not arranged on supports 22.
  • a very fast and cost-effective installation of a roofed with the shell 10 construction is possible.

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Abstract

Das Verfahren zur Herstellung von einfach gekrümmten Schalen (1) und zweifach gekrümmten Schalen (10) umfasst: Herstellen von Schalensegmenten (2, 20) unter kontrollierten Bedingungen, vorzugsweise in einem Fertigteilwerk; Vorbrechen der Schalensegmente (2, 20) mittels einer Brechvorrichtung (5) unter kontrollierten Bedingungen, vorzugsweise im Fertigteilwerk, und Transportieren der vorgebrochenen Schalensegmente (2, 20) zu einer Baustelle; Auflegen eines Pneus auf einer, vorzugsweise ebenen, Grundfläche (7); Auflegen und Anordnen der Schalensegmente (2, 20) auf dem Pneu; Anordnen zumindest eines flexiblen Zugglieds, an gegenüberliegenden Seitenrändern (9) einer Basisfläche (8) der einfach gekrümmten Schale (1) oder in Umfangsrichtung an einem äußeren Rand (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10); Durchführen des Formgebungsprozesses, also Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente (2, 20) durch Einblasen von Luft in den Pneu und/oder unter Zugbelastung des zumindest einen Zugglieds.

Description

Verfahren zur Herstellung von einfach gekrümmten und zweifach gekrümmten
Schalen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einfach gekrümmten Schalen und zweifach gekrümmten Schalen.
Einfach räumlich gekrümmte Flächen sind in einer Raumebene und zweifach räumlich gekrümmte Flächen sind in zwei unterschiedlichen Raumebenen gekrümmt. Entsprechende Flächentragwerke oder Schalen, zum Beispiel aus Beton, können in einfach gekrümmter Ausbildung beispielsweise als Tunnel und in zweifach gekrümmter Ausbildung beispielsweise als Hallenüberdachung verwendet werden.
Besonders geeignet für die Herstellung von gekrümmten Flächen sind Werkstoffe, die sich gießen lassen, wie z.B. Stahlbeton, Kunststoffe, Wasser bzw. Eis.
Gekrümmte Schalen zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei geeigneter Form und Lagerung Lasten überwiegend durch Normalkräfte abtragen. Dies führt zu einer äußerst günstigen Materialausnutzung und geringem Materialverbrauch. Den Ersparnissen beim Materialverbrauch stehen aber ein hoher Aufwand für Lohnkosten und Material für die Herstellung der Schalung gegenüber. Ausgeführte Bogentrag werke und Schalentragwerke, wie sie beispielsweise in„Kuppeln aller Zeiten - aller Kulturen von Erwin Heinle und Jörg Schiaich, DVA, Stuttgart, 1996 und„Heinz Isler - Schalen" von Ekkard Ramm und Eberhard Schunk (Hrsg.), Karl Krämer Verlag, Stuttgart, 1986, S. 51, 68, 70, 77 beschrieben sind, weisen in der Regel komplizierte, räumlich gekrümmte Schalungen aus Holz, Stahl, Kunststoff oder gefrästen Hartschaumblöcken auf.
Um beim Bau räumlich gekrümmter Schalungen Kosten zu sparen, sind auch pneumatische Schalungen bekannt geworden. Schalen in Kugelform oder in Zylinderform und Schalen mit mehr oder weniger geringfügigen Abwandlungen dieser Grundformen können auf diese Weise hergestellt werden, siehe z.B.„Kuppelbau mit pneumatischer Schalung" von Franz Derflinger, in„Beton- und Stahlbetonbau", Jahrgang 1983, Heft 11, Seite 299 bis 302.
Um die Form einer pneumatischen Schalung zu verändern, wird in der DE 35 00 153 vorgeschlagen, auf der Oberfläche der pneumatischen Schalung radial verlaufende Seile anzuordnen, die gegen die pneumatische Schalung vorgespannt sind. Mit der pneumatischen Schalung gemäß DE 35 00 153 wird die Krümmung der Schalung in der Nähe der Seile örtlich erhöht, was günstig für die Stabilität der auf dieser Schalung herzustellenden Schale ist.
Nachteilig ist, dass das Aufbringen des Baustoffs der Schale in dünnen Schichten, z.B. durch Spritzbeton, erfolgen muss, weil die Tragfähigkeit des Pneus für gleichmäßig verteilte Lasten zwar hoch ist, örtliche Lasten aber zu großen Verformungen des Pneus führen.
Der Begriff„Pneu" bezeichnet allgemein ein aufblasbares Gebilde.
Weil das Aufbringen des Spritzbetons auf den Pneu zur Herstellung einer Betonschale oder das Aufspritzen von Wasser auf den Pneu zur Herstellung einer Eisschale ein aufwändiger Herstellungsvorgang ist, ist in der EP 1 706 553 vorgeschlagen worden, eine Platte aus gießfähigem Material wie z.B. Beton oder Wasser bzw. Eis auf einer ebenen Arbeitsfläche herzustellen und die monolithisch hergestellte Platte anschließend durch das Aufblasen eines Pneus und das Anspannen von Spanngliedern in eine Schale umzuformen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Krümmung der mit diesem Verfahren herzustellenden Schale begrenzt ist, weil die im weichen Material während des Umformungsprozesses entstehenden Druckspannungen zu einem Stabilitätsversagen der Bereiche mit weichem Material führen könnten. Die Bereiche mit weichem Material sind deshalb auf kleine Abmessungen beschränkt.
Um das Herstellen einer zweifach gekrümmten Schale aus einer ebenen Ausgangsform zu ermöglichen, ohne dass ein zweites weiches Material in der Schale verbleibt, ist in der AT 506 902 vorgeschlagen worden, ebene Flächentragwerkselemente auf einem Pneu aufzulegen, sodass keilförmige Zwischenräume zwischen den ebenen verlegten Flächentragwerkselementen verbleiben. Die Schale wird durch das Aufblasen des Pneus und das Anspannen von Zuggliedern gebildet. Es hat sich herausgestellt, siehe z.B. Ice Domes - Development of Construction Methods" von Sonja Dallinger, Dissertation, Technische Universität Wien, 2011, dass nach diesem Verfahren hergestellte Schalen auf kleine Spannweiten von ca. zehn Metern beschränkt sind, weil die Zugkräfte im Pneu, die gleich dem Produkt aus Innendruck und Krümmungsradius sind, sonst zu einem Reißen der Fugen des Pneus führen.
Da die in EP 1 706 553 und AT 506 902 beschriebenen Verfahren jeweils auf kleine Krümmungen und kleine Spannweiten beschränkt sind, wird in der AT 511 948 vorgeschlagen, die keilförmigen Hohlräume in der ursprünglich ebenen Platte durch keilförmige Pneus zu füllen. Diese keilförmigen Pneus sind zugbeanspruchte Strukturen und somit auch bei großen Abständen zwischen den Segmenten nicht stabilitätsgefährdet, wenn diese während des Umformens von einer ebenen Fläche zu einer zweifach gekrümmten Schale zusammengedrückt werden. Somit werden größere Krümmungen und auch größere Strukturen ermöglicht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die monolithische Platte in einem Zug unter Baustellenbedingungen gegossen werden muss und, dass die ebene Fläche während des Verformens erstmals in die gekrümmte Form gebracht wird. Spröde Baumaterialien, wie z.B. Beton und Wasser bzw. Eis, müssen während des Umformungsprozesses in die richtige Form „brechen", was ein erhöhtes Risiko einer Abweichung von der beabsichtigten Form mit sich bringt. Zusätzlich müssen alle Ränder und alle keilförmigen Aussparungen in der Platte auf einmal geschalt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von einfach und zweifach gekrümmten Schalen ohne den Aufbau einer räumlich gekrümmten Schalung und des dazugehörigen Lehrgerüsts zu ermöglichen, das nicht auf kleine Spannweiten und Krümmungen begrenzt ist und bei gleichen Segmenten den Aufwand für die Herstellung der Schalung reduziert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von einfach gekrümmten Schalen und zweifach gekrümmten Schalen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Herstellen von, vorzugsweise bewehrten, Schalensegmenten unter kontrollierten Bedingungen, vorzugsweise in einem Fertigteilwerk;
- Vorbrechen der Schalensegmente mittels einer Brechvorrichtung unter kontrollierten Bedingungen, vorzugsweise im Fertigteilwerk, und Transportieren der vorgebrochenen Schalensegmente zu einer Baustelle;
- Auflegen eines Pneus auf einer, vorzugsweise ebenen, Grundfläche, wobei der Pneu vorzugsweise aus einer ersten Folie und einer zweiten Folie besteht, die an ihren Rändern dicht miteinander verbunden sind;
- Auflegen und Anordnen der Schalensegmente auf dem Pneu, und gegebenenfalls anschließendes biegesteifes Verbinden der einzelnen Schalensegmente;
- Anordnen zumindest eines flexiblen Zugglieds, das verschieblich gegenüber den Schalensegmenten ausgebildet ist, an gegenüberliegenden Seitenrändern einer Basisfläche der einfach gekrümmten Schale oder in Umfangsrichtung an einem äußeren Rand einer Basisfläche der zweifach gekrümmten Schale; - Durchführen des Formgebungsprozesses, umfassend das Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente durch Einblasen von Luft in den Pneu und/oder unter Zugbelastung des zumindest einen Zugglieds.
Zweckmäßig werden die einzelnen Elemente aus gießfähigen Materialien wie beispielsweise Beton, Stahlbeton, Faserbeton, textilbewehrtem Beton, allgemein nichtmetallisch bewehrtem Beton, bewehrtem oder nichtbewehrtem Kunststoff, oder bewehrtem oder nichtbewehrtem Eis gebildet, da diese Materialien eine hohe Stabilität der Schale gewährleisten.
Des Weiteren werden zweckmäßig die Zugglieder aus Spanndrahtlitzen, Monolitzen, Edelstahllitzen oder aus faserverstärktem Kunststoff gebildet, weil sie die nötige Zugfestigkeit und Flexibilität aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird der Pneu aus zwei übereinanderliegenden, an den Rändern dicht miteinander verbundenen, beispielsweise verschweißten, Folien, einer ersten Folie und einer zweiten Folie, gebildet. Für das Einblasen der Luft werden eine oder mehrere Gaseinleitvorrichtungen an der oberen Folie vorgesehen.
Die Folien bestehen zweckmäßig aus Polyvinylchlorid, Polyethylen, Nylon oder allgemein bewehrten oder unbewehrten dünnen luftundurchlässigen Membranen in allen denkbaren Varianten.
Zur Anpassung an die gewünschte gekrümmte Form kann vorgesehen werden, dass bei der Herstellung der Schalensegmente unter kontrollierten Bedingungen Sollbruchstellen in den Schalensegmenten durch Eindrücken von Kerben in das gegossene, noch nicht ausgehärtete Baumaterial, oder durch Einlegen von Einbauteilen, oder durch nachträgliches Einschneiden vor dem Formgebungsprozess geschaffen werden.
In einer zweckmäßigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Anbringen einer Auflast entlang des äußeren Randes der Grundfläche, indem dieser entweder mit zusätzlichen Gewichten, beispielsweise Auflastgewichten, beschwert wird und/oder die Dicke der Schalensegmente entlang des äußeren Randes der Grundfläche größer ausgebildet wird als die Dicke der inneren Bereiche der Schalensegmente.
Vor oder nach dem Formgebungsprozess, also dem Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente, werden die Elemente gegebenenfalls durch Verbindungsmittel, die vorzugsweise im Bereich der Seitenkanten der Schalensegmente in die Schalensegmente eingegossen sind, an den Seitenkanten der Schalensegmente miteinander verbunden. Einfach gekrümmte Schalen werden an den Seitenkanten bevorzugt vor dem Formgebungsprozess verbunden, und zweifach gekrümmte Schalen werden an den Seitenkanten bevorzugt nach dem Formgebungsprozess verbunden. Wenn die einzelnen Schalensegmente durch Fugen voneinander getrennt sind, werden die Fugen gegebenenfalls nach dem Umformungsprozess mit einem aushärtenden Vergussmaterial verfüllt, wodurch eine hohe Stabilität der so gebildeten Schale sichergestellt ist.
Als Vergussmaterial hat sich Zementmörtel, Kunstharz, Kunststoff oder Wasser bewährt.
Vorteilhafterweise werden die Verbindungsmittel zweier angrenzender Schalensegmente beim Formgebungsprozess an den Seitenkanten der Schalensegmente automatisch in Bezug auf einander ausgerichtet, wobei die Verbindungsmittel vor oder nach dem Formgebungsprozess zugfest und gegebenenfalls biegesteif miteinander verbunden, vorzugsweise verschraubt, werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Variante wird nicht die gesamte Grundfläche der einfach gekrümmten Schale oder der zweifach gekrümmten Schale mit Schalensegmenten belegt, wodurch Aussparungen entstehen, die in der einfach gekrümmten Schale oder der zweifach gekrümmten Schale eine oder mehrere vorbestimmte Ausnehmungen bilden. Diese Ausnehmungen können anschließend beispielsweise mit transparentem Material abgedeckt werden. In der Mitte der Grundfläche der zweifach gekrümmten Schale können die Schalensegmente am Aussparungsrand der Aussparung zusätzlich durch einen Ring, beispielsweise aus Stahl, biegesteif miteinander verbunden werden, wobei die Schalensegmente beispielsweise mittels eingegossener Verbindungsmittel mit dem Ring verbunden werden können. Hierdurch wird eine sehr schnelle Montage ermöglicht.
Zur Erzielung einer Schale mit hoher Stabilität ist es zweckmäßig, wenn auf die einfach gekrümmte Schale oder die zweifach gekrümmte Schale nach dem Formgebungsprozess der Schalensegmente und gegebenenfalls nach dem Verbinden der Verbindungsmittel, eine zusätzliche Schicht aus einem Baustoff aufgebracht wird, die mit der einfach gekrümmten Schale oder der zweifach gekrümmten Schale schubfest verbunden wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die zweifach gekrümmte Schale nach dem Verfüllen der Fugen im unteren Bereich vorgespannt, sodass sich ein Druckring ausbildet. Danach wird die zweifach gekrümmte Schale an mindestens drei entlang des Randes der Schale angeordneten Stützen mittels einer Hebevorrichtung hochgehoben. Hierdurch wird eine sehr schnelle und kostengünstige Montage eines mit der Schale überdachten Bauwerks ermöglicht
Die Erfindung ist nachfolgend anhand nicht einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein rechteckiges, vorzugsweise bewehrtes, Schalensegment zur Herstellung einer einfach gekrümmten Schale gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 in einem Querschnitt A-A gemäß Fig. 9, eine beispielhafte Ausführung eingegossener Verbindungsmittel angrenzender Schalensegmente vor und nach dem Verbinden;
Fig. 3 das Schalensegment aus Fig. 1 während des Vorbrechens mittels einer Lehre; Fig. 4 auf einem Pneu aufgelegte und angeordnete Schalensegmente zur Herstellung einer einfach gekrümmten Schale;
Fig. 5 die Schalensegmente aus Fig. 4 während des Formgebungsprozesses;
Fig. 6 eine einfach gekrümmte Schale nach dem Formgebungsprozess, hergestellt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 ein blütenblattförmiges, vorzugsweise bewehrtes, Schalensegment zur Herstellung einer zweifach gekrümmten Schale gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8 das Schalensegment aus Fig. 7 während des Vorbrechens mittels einer Lehre; Fig. 9 auf einem Pneu aufgelegte und angeordnete Schalensegmente zur Herstellung einer zweifach gekrümmten Schale;
Fig. 10 eine zweifach gekrümmte Schale nach dem Formgebungsprozess, hergestellt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 11 eine zweifach gekrümmte Schale nach dem Formgebungsprozess gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 12 die zweifach gekrümmte Schale aus Fig. 11, wobei die zweifach gekrümmte Schale an Stützen angehoben ist;
Im Folgenden wird auf die Figuren 1 bis 6 Bezug genommen:
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert die Herstellung einer einfach gekrümmten Schale 1 aus mehreren rechteckigen Schalensegmenten 2. Die Schale 1 könnte beispielsweise als Tunnelelement oder als Wildwechselbrücke für Straßen oder Bahngleise genutzt werden.
Als erster Schritt wird eine rechteckiges Schalensegment 2 gemäß Figur 1 hergestellt, wobei dieses Schalensegment 2 beispielsweise aus Beton gegossen und mit Stahl bewehrt wird. Wird dieser erste Schritt unter kontrollierten Bedingungen in einem Fertigteilwerk durchgeführt, können das Schalensegment 2 und alle weiteren Schalensegmente 2 in Bezug auf Herstellungszeit, Herstellungskosten und Qualität optimiert werden.
Die„kontrollierten Bedingungen" beziehen sich hierbei auf Bedingungen die beispielsweise in einem für das Herstellen von Fertigteilen optimierten Fertigteilwerk vorliegen, und die auf einer konventionellen Baustelle üblicherweise nicht vorliegen. Solche Bedingungen umfassen beispielsweise den weitgehenden Ausschluss von Klima- und Wettereinflüssen, gleichbleibende Qualität des Baumaterials, konstante Aushärtebedingungen, optimierte und gleiche Gießformen für alle Schalensegmente 2, usw.
Weiters können Sollbruchstellen durch Eindrücken von Kerben in das gegossene, noch nicht ausgehärtete Baumaterial oder durch Einlegen von Einbauteilen, oder durch nachträgliches Einschneiden von Nuten in das ausgehärtete Baumaterial, in die Schalensegmente 2 eingebracht werden. Hierdurch können die Schalensegmente 2 später besonders gut an ihre endgültige Form als Teil der Schale 1 angepasst werden.
Optional können zusätzlich im Bereich der Seitenkanten 3 der Schalensegmente 2 Verbindungsmittel 4 in die Schalensegmente 2 eingegossen werden. Anhand dieser Verbindungsmittel 4 können die Schalensegmente 2 verbunden werden. Alternativ können die Verbindungsmittel 4 erst nach dem Aushärten des Baumaterials an den Schalensegmenten 2 angebracht werden. Eine beispielhafte Ausführung dieser Verbindungsmittel 4 ist in Figur 2 dargestellt.
In einem zweiten Schritt erfolgt gemäß Figur 3 das Vorbrechen der Schalensegmente 2 mittels einer Brechvorrichtung 5. Diese Brechvorrichtung 5, beispielsweise eine Lehre oder eine Bogenlehre gemäß Figur 3, bildet eine konvexe oder konkave Auflagefläche 23 für zumindest ein Schalensegment 2 aus, an welche Auflagefläche 23 die Schalensegmente 2 gleichzeitig oder nacheinander durch das Vorbrechen angepasst werden. Im Fall der Bogenlehre werden die Schalensegmente 2 mittels Zugkräften 6 über die konvexe Positivform der Lehre gezogen und so an die Positivform der Lehre angepasst. Alternativ kann die Bogenlehre auch eine konkave Negativform aufweisen und die Schalen segmente 2 werden mittels Druckkräften, beispielsweise mittels eines aufblasbaren Pneus, in die Negativform hineingedrückt, und so an die Negativform der Bogenlehre angepasst. Wird dieser zweite Schritt ebenfalls unter kontrollierten Bedingungen in dem Fertigteilwerk durchgeführt, können auch hier die vorgebrochenen Schalen segmente 2 in Bezug auf Herstellung szeit, Herstellungskosten und Qualität optimiert werden.
Die„kontrollierten Bedingungen" beziehen sich hierbei auf Bedingungen die beispielsweise in einem für das Herstellen von Fertigteilen optimierten Fertigteilwerk vorliegen, und die auf einer konventionellen Baustelle üblicherweise nicht vorliegen. Solche Bedingungen umfassen beispielsweise eine optimierte und für alle Schalensegmente 2 gleiche Schalung, oder eine optimierte Brechvorrichtung 5 zum Vorbrechen der Schalensegmente 2, oder optimierte Werkzeuge zum Einbringen der Sollbruchstellen in die Schalensegmente 2, um das Vorbrechen der Schalensegmente 2 zu optimieren, oder optimierte Werkzeuge zum Einbringen und Eingießen der Verbindungsmittel 4, usw.
Die vorgebrochenen Schalensegmente 2 werden dann stehend oder liegend auf ein Transportmittel, beispielsweise einen LKW, verladen und zu einer Baustelle, wo die einfach gekrümmte Schale 1 errichtet werden soll, transportiert.
Alternativ können die Schalensegmente 2 noch vor dem Vorbrechen zur Baustelle transportiert werden. Das Vorbrechen der Schalensegmente 2 mittels einer Brechvorrichtung 5 erfolgt dann erst auf der Baustelle. Diese Variante kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn der Transport der Schalensegmente 2 im Stück, also ungebrochen, von Vorteil ist, oder wenn die Form der Brechvorrichtung 5 erst später auf der Baustelle festgelegt wird, oder wenn sich die Brechvorrichtung 5 bereits auf der Baustelle befindet.
Als dritter Schritt wird auf einer, vorzugsweise ebenen, Grundfläche 7 der Baustelle ein Pneu aufgelegt. Der Pneu, der in den Figuren nicht dargestellt ist, kann beispielsweise aus einer ersten Folie und einer zweiten Folie bestehen, die an ihren Rändern dicht miteinander verbunden sind. Als Material für die erste und die zweite Folie kann beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Nylon sowie allgemein luftundurchlässige Membranen in allen handelsüblichen Varianten verwendet werden. Zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie kann eine gasdurchlässige Schicht, beispielsweise ein Vlies, angeordnet sein.
In einem vierten Schritt werden auf dem Pneu die vorgebrochenen Schalensegmente 2 aufgelegt und derart angeordnet, dass die Anordnung die Schale 1 in ihrer nicht gekrümmten, vorzugsweise ebenen, Form gemäß Figur 4 ergibt, welche Form eine Fläche aufweist, die einer Basisfläche 8 der einfach gekrümmten Schale 1 entspricht.
Alternativ wird nicht die gesamte Basisfläche 8 der einfach gekrümmten Schale 1 mit Schalensegmenten 2 belegt, wodurch Aussparungen entstehen, die in der einfach gekrümmten Schale 1 eine oder mehrere vorbestimmte Ausnehmungen bilden. Diese Ausnehmungen können anschließend beispielsweise mit transparentem Material abgedeckt werden.
Optional werden die einzelnen Schalensegmente 2 anschließend verbunden. Dies kann mittels der eingegossenen Verbindungsmittel 4 erfolgen, welche beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 14 schubfest und biegesteif miteinander verbunden werden. Insbesondere werden einfach gekrümmten Schalen 1 entlang der Seitenkanten 3 vor dem Formgebungsprozess miteinander verbunden. Derartige Verbindungen der einzelnen Schalensegmente 2 erfolgen mittels Verbindungsmitteln 4, welche eine zugfeste, druckfeste und biegesteife Verbindung bilden können.
In einem fünften Schritt werden zusätzlich an den einander gegenüberliegenden Seitenrändern 9 der Basisfläche 8 flexible Zugglieder, die verschieblich gegenüber den Schalensegmenten 2 ausgebildet sind, angebracht. Diese Zugglieder könnten beispielsweise aus Monolitzen, Edelstahllitzen oder aus faserverstärktem Kunststoff gebildet sein.
Zusätzlich kann die Schichtdicke 11 der Schalensegmente 2 im Bereich der Seitenränder 9 vergrößert sein, um damit eine zusätzliche Auflast zu schaffen. Diese zusätzliche Auflast könnte auch durch Auflastsegmente, die im Bereich der Seitenränder 9 an den Schalensegmenten 2 montiert werden, geschaffen werden.
In einem sechsten Schritt gemäß Figur 5 wird der Formgebungsprozess durchgeführt. Während des Formgebungsprozesses werden die Schalensegmente 2 angehoben und verkrümmt, sodass sie im Endzustand, also nach dem Formgebungsprozess, die einfach gekrümmte Schale 1 ausbilden. Das Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente 2 erfolgt durch Einblasen von Luft in den Pneu, also beispielsweise zwischen die erste Folie und die zweite Folie, wodurch Druckkräfte 12 auf die Schalensegmente 2 wirken, und unter Zugbelastung der Zugglieder, wodurch im Bereich der Seitenränder 9 der Schalensegmente 2 Zugkräfte 13 auf die Schalensegmente 2 wirken.
Alternativ kann der Formgebungsprozess auch ausschließlich mittels des Pneus oder ausschließlich mittels der Zugglieder durchgeführt werden. Optional können die einzelnen Schalensegmente 2 erst nach dem Formgebungsprozess verbunden werden. Dies kann mittels der eingegossenen Verbindungsmittel 4 erfolgen, welche mittels der Schraub Verbindung 14 schubfest und biegesteif miteinander verbunden werden, wobei sich die Verbindungsmittel 4 zweier angrenzender Schalensegmente 2 beim Formgebungsprozess automatisch an den Seitenkanten 3 gegeneinander ausrichten, und wobei zwischen zwei angrenzenden Schalensegmenten 2 die Fuge 15 verbleiben kann.
Die Fugen 15 können anschließend zusätzlich mit einem aushärtenden Vergussmaterial verfüllt werden, wodurch die, durch das Verformen der Elemente entstandenen Risse wieder verfüllt werden und eine hohe Stabilität der einfach gekrümmten Schale 1 sichergestellt ist. Als Vergussmaterial kann beispielsweise Zementmörtel, Kunstharz, Kunststoff oder Wasser zum Einsatz kommen.
In einem letzten Schritt kann nach dem Formgebungsprozess optional eine Schicht bestehend aus einem Baustoff, beispielsweise Spritzbeton, aufgebracht werden, die mit der einfach gekrümmten Schale 1 schubfest verbunden wird. Hierdurch wird eine besonders hohe Stabilität der so gebildeten, einfach gekrümmten Schale 1 sichergestellt.
Nach Abschluss des Formgebungsprozesses kann die Luft aus dem Pneu abgelassen oder abgesaugt werden. Fig. 6 zeigt die einfach gekrümmte Schale 1 mit einer Ausnehmung 17 in ihrem Endzustand. Die Ausnehmung 17 dient als Eingang. Alternativ kann die Ausnehmung als Lichteinlass, insbesondere als Fensteröffnung, oder Ähnliches dienen.
Im Folgenden wird auf die Figuren 7 bis 10 Bezug genommen:
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert die Herstellung einer zweifach gekrümmten Schale 10 aus mehreren blütenblattförmigen Schalensegmenten 20. Die Schale 10 könnte beispielsweise ganz allgemein als Kuppeldach oder spezifischer als Hallenüberdachung genutzt werden.
Als erster Schritt wird ein blütenblattförmiges Schalensegment 20 gemäß Figur 7 hergestellt, wobei dieses Schalensegment 20 beispielsweise aus Beton gegossen und mit Stahl bewehrt wird. Wird dieser erste Schritt unter den zuvor beschriebenen kontrollierten Bedingungen in einem Fertigteilwerk durchgeführt, können das Schalensegment 20 und alle weiteren Schalensegmente 20 in Bezug auf Herstellungszeit, Herstellungskosten und Qualität optimiert werden.
Weiters können Sollbruchstellen durch Eindrücken von Kerben in das gegossene, noch nicht ausgehärtete Baumaterial oder durch Einlegen von Einbauteilen, oder durch nachträgliches Einschneiden von Nuten in das ausgehärtete Baumaterial, in die Schalensegmente 20 eingebracht werden. Hierdurch können die Schalensegmente 20 später besonders gut an ihre endgültige Form als Teil der Schale 10 angepasst werden.
Optional können zusätzlich im Bereich der Seitenkanten 3 der Schalensegmente 20 Verbindungsmittel 4 in die Schalensegmente 20 eingegossen werden. Anhand dieser Verbindungsmittel 4 können die Schalensegmente 20 verbunden werden. Alternativ dazu werden die Verbindungsmittel 4 erst nach dem Aushärten des Baumaterials an den Schalensegmenten 20 angebracht. Eine beispielhafte Ausführung dieser Verbindungsmittel 4 ist in Figur 2 dargestellt.
In einem zweiten Schritt erfolgt gemäß Figur 8 das Vorbrechen der Schalensegmente 20 mittels einer Brechvorrichtung 5. Diese Brechvorrichtung 5, beispielsweise eine Lehre oder eine Bogenlehre gemäß Figur 8, bildet eine konvexe oder konkave Auflagefläche 24 für zumindest ein Schalensegment 20 aus, an welche Auflagefläche 24 die Schalensegmente 20 gleichzeitig oder nacheinander durch das Vorbrechen angepasst werden. Im Fall der Bogenlehre werden die Schalensegmente 20 mittels Zugkräften 6 über die konvexe Positivform der Lehre gezogen und so an die Positivform der Lehre angepasst. Alternativ kann die Bogenlehre auch eine konkave Negativform aufweisen und die Schalensegmente 20 werden mittels Druckkräften, beispielsweise mittels eines aufblasbaren Pneus, in die Negativform hineingedrückt, und so an die Negativform der Bogenlehre angepasst. Wird dieser zweite Schritt ebenfalls unter den zuvor beschriebenen kontrollierten Bedingungen in dem Fertigteilwerk durchgeführt, können auch hier die vorgebrochenen Schalensegmente 20 in Bezug auf Herstellung szeit, Herstellungskosten und Qualität optimiert werden.
Die vorgebrochenen Schalensegmente 20 werden dann stehend oder liegen auf ein Transportmittel, beispielsweise einen LKW, verladen und zu einer Baustelle, wo die zweifach gekrümmte Schale 10 errichtet werden soll, transportiert.
Alternativ können die Schalensegmente 20 noch vor dem Vorbrechen zur Baustelle transportiert werden. Das Vorbrechen der Schalensegmente 20 mittels einer Brechvorrichtung 5 erfolgt dann erst auf der Baustelle. Diese Variante kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn der Transport der Schalensegmente 20 im Stück, also ungebrochen, von Vorteil ist, oder wenn die Form der Brechvorrichtung 5 erst später auf der Baustelle festgelegt wird, oder wenn sich die Brechvorrichtung 5 bereits auf der Baustelle befindet.
Als dritter Schritt wird auf einer, vorzugsweise ebenen, Grundfläche 7 der Baustelle ein Pneu aufgelegt. Der Pneu, der in den Figuren nicht dargestellt ist, kann beispielsweise aus einer ersten Folie und einer zweiten Folie bestehen, die an ihren Rändern dicht miteinander verbunden sind. Als Material für die erste und die zweite Folie kann beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Nylon sowie allgemein luftundurchlässige Membranen in allen handelsüblichen Varianten verwendet werden. Zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie kann eine gasdurchlässige Schicht, beispielsweise ein Vlies, angeordnet sein.
In einem vierten Schritt werden auf dem Pneu die vorgebrochenen Schalensegmente 20 aufgelegt, angeordnet und, beispielsweise mit Hilfe einer wie in Figur 2 dargestellten Verbindung, zusammengefügt, wobei die Anordnung die Schale 10 in ihrer nicht gekrümmten, vorzugsweise ebenen Form gemäß Figur 9 ergibt, welche Form eine Fläche aufweist, die einer Basisfläche 80 der zweifach gekrümmten Schale 10 entspricht.
Alternativ wird nicht die gesamte Basisfläche 80 der zweifach gekrümmten Schale 10 mit Schalensegmenten 2 belegt, wodurch Aussparungen 16 entstehen, die in der zweifach gekrümmten Schale 10 eine oder mehrere vorbestimmte Ausnehmungen 17 bilden. Diese Ausnehmungen 17 können anschließend beispielsweise mit transparentem Material abgedeckt werden. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich eine solche Aussparung 16 in der Mitte der Basisfläche 80 der zweifach gekrümmten Schale 10. Die Schalensegmente 20 können hierdurch am Aussparungsrand 18 dieser Aussparung 16 zusätzlich durch einen Ring, beispielsweise aus Stahl, biegesteif miteinander verbunden werden. Hierbei können die Schalensegmente 20 beispielsweise mittels eingegossenen Verbindungsmitteln 4, insbesondere vor dem Formgebungsprozess, mit dem Ring verbunden werden, wodurch eine sehr schnelle Montage ermöglicht wird.
In einem fünften Schritt wird zusätzlich in Umfangsrichtung an einem äußeren Rand 19 der Basisfläche 80 ein flexibles Zugglied verschieblich gegenüber den Schalensegmenten 20 angebracht. Dieses Zugglied kann beispielsweise aus einer gefetteten und in einem Polyethylenhüllrohr angeordneten Spanndrahtlitze bestehen, oder aus Monolitzen, Edelstahllitzen oder aus faserverstärktem Kunststoff gebildet sein. Zusätzlich kann die Schichtdicke 11 der Schalensegmente 20 im Bereich des äußeren Rands 19 vergrößert sein, um damit eine zusätzliche Auflast zu schaffen. Diese zusätzliche Auflast könnte auch durch Auflastsegmente 21, die in Figur 11 dargestellt sind und im Bereich des äußeren Rands 19 an den Schalensegmenten 20 angebracht werden, geschaffen werden.
In einem sechsten Schritt wird, ähnlich wie in Figur 5 für den Fall der einfach gekrümmten Schale 1 dargestellt, der Formgebungsprozess durchgeführt. Während des Formgebungsprozesses werden die Schalensegmente 20 angehoben und verkrümmt, sodass sich im Endzustand, also nach dem Formgebungsprozess, die zweifach gekrümmte Schale 10 ausbildet. Das Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente 20 erfolgt durch Einblasen von Luft in den Pneu, also beispielsweise zwischen die erste Folie und die zweite Folie, und durch anspannen des Zugglieds. Das entlang des äußeren Randes 19 verlegte Zugglied übt hierbei Umlenkkräfte im Bereich des äußeren Randes 19 auf die Schale 10 aus.
Alternativ kann der Formgebungsprozess auch ausschließlich mittels des Pneus oder ausschließlich mittels des Zugglieds durchgeführt werden, wobei im zweiten Fall zumindest ein Anheben der Schalensegmente, beispielsweise an dem Ring der am Aussparungsrand 18 der Aussparung 16 angebracht ist, durchgeführt wird.
Die einzelnen Schalensegmente 20 können nach dem Formgebungsprozess entlang ihrer Seitenkanten 3 zugfest und/ oder biegesteif miteinander verbunden werden. Dies kann mittels der eingegossenen Verbindungsmittel 4 erfolgen. Während des Formgebungsprozesses wird der Abstand zwischen den Schalensegmenten 20 geringer und die Fugen 15 werden kleiner, wodurch sich die Verbindungsmittel 4 zweier angrenzender Schalensegmente 20 während des Formgebungsprozesses vorzugsweise automatisch an den Seitenkanten 3 gegeneinander ausrichten, und wobei zwischen zwei angrenzenden Schalensegmenten 20 eine Fuge 15 verbleiben kann. Alternativ werden die Schalensegmente 20 der zweifach gekrümmten Schalen 10 an den Seitenkanten 3 ausschließlich nach dem Formgebungsprozess zugfest miteinander verbunden, wobei die Verbindungsmittel 4 nach dem Formgebungsprozess ein- oder angebracht werden.
Die Fugen 15 können anschließend zusätzlich mit einem aushärtenden Vergussmaterial verfüllt werden, wodurch eine hohe Stabilität der zweifach gekrümmten Schale 10 sichergestellt ist. Als Vergussmaterial kann beispielsweise Zementmörtel, Kunstharz, Kunststoff oder Wasser zum Einsatz kommen. In einem letzten Schritt kann nach dem Formgebungsprozess optional eine Schicht bestehend aus einem Baustoff, beispielsweise Spritzbeton, aufgebracht werden, die mit der zweifach gekrümmten Schale 10 schubfest verbunden wird. Hierdurch werden die, durch das Verkrümmen der Schalensegmente 20 entstandenen Risse wieder verfüllt und eine besonders hohe Stabilität der so gebildeten, zweifach gekrümmten Schale 10 kann sichergestellt werden.
Nach Abschluss des Formgebungsprozesses kann die Luft aus dem Pneu abgelassen oder abgesaugt werden. Fig. 10 zeigt die zweifach gekrümmte Schale 10 in ihrem Endzustand.
Figuren 11 und 12 zeigen eine zweifach gekrümmte Schale 10 nach dem Formgebungsprozess gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Schale 10 ist in Umfangrichtung entlang des äußeren Randes 19 vorgespannt. Die Schale 10 weist im Bereich des äußeren Randes 19 Auflastsegmente 21 auf, wodurch eine zusätzliche Auflast für eine verbesserte Durchführung des Formgebungsprozesses geschaffen wird. Weiters sind entlang des Randes 19 der zweifach gekrümmte Schale 10 vier Stützen 22 angeordnet. Mittels einer Hebevorrichtung, beispielsweise zumindest einem (Bau-)Kran oder mit Hilfe von Litzenhebern, kann die Schale 10 an diesen Stützen 22 hochgehoben werden. Alternativ kann die Schale mittels der Hebevorrichtung auf ein Gebäude gehoben werden, wobei die Schale 10 nicht an Stützen 22 angeordnet ist. Hierdurch wird eine sehr schnelle und kostengünstige Montage eines mit der Schale 10 überdachten Bauwerks ermöglicht.
In den Beispielen wurde die Herstellung von Schalen 1, 10 mit rechteckigem und kreisförmigem Grundriss beschrieben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch die Herstellung einfach und zweifach räumlich gekrümmter Schalen beliebiger Form über beliebigen Grundrissen möglich.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von einfach gekrümmten Schalen (1) und zweifach gekrümmten Schalen (10) aus, vorzugsweise bewehrten, vorgefertigten Schalensegmenten (2, 20), gekennzeichnet durch:
- Vorbrechen der Schalensegmente (2, 20) mittels einer Brechvorrichtung (5) unter kontrollierten Bedingungen, vorzugsweise im Fertigteilwerk, und Transportieren der vorgebrochenen Schalensegmente (2, 20) zu einer Baustelle;
- Auflegen eines Pneus auf einer, vorzugsweise ebenen, Grundfläche (7), wobei der Pneu vorzugsweise aus einer ersten Folie und einer zweiten Folie besteht, die an ihren Rändern dicht miteinander verbunden sind;
- Auflegen und Anordnen der Schalensegmente (2, 20) auf dem Pneu, und gegebenenfalls anschließendes zugfestes und biegesteifes Verbinden der einzelnen Schalensegmente (2, 20);
- Anordnen zumindest eines flexiblen Zugglieds, das verschieblich gegenüber den Schalensegmente (2, 20) ausgebildet ist, an gegenüberliegenden Seitenrändern (9) einer Basisfläche (8) der einfach gekrümmten Schale (1) oder in Umfangsrichtung an einem äußeren Rand (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10);
- Durchführen des Formgebungsprozesses, umfassend das Anheben und Verkrümmen der Schalensegmente (2, 20) durch Einblasen von Luft in den Pneu und/oder unter Zugbelastung des zumindest einen flexiblen Zugglieds.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Basisfläche (8, 80) der einfach gekrümmten Schale (1) oder der zweifach gekrümmten Schale (10) mit Schalensegmenten (2, 20) belegt wird, wodurch Aussparungen (16) entstehen, die in der einfach gekrümmten Schale (1) oder der zweifach gekrümmten Schale (10) eine oder mehrere vorbestimmte Ausnehmungen (17) bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auflegen und Anordnen der Schalensegmente (2, 20) auf dem Pneu das Anbringen einer Auflast auf den Schalensegmenten (2, 20) an den gegenüberliegenden Seitenrändern (9) der Basisfläche (8) der einfach gekrümmten Schale (1) oder entlang des äußeren Randes (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anbringens einer Auflast mittels einer Vergrößerung der Dicke der Schalensegmente (2, 20) an den einander gegenüberliegenden Seitenrändern (9) der Basisfläche (8) der einfach gekrümmten Schale (1) oder entlang des äußeren Randes (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Auflastsegmente (21) im Bereich der einander gegenüberliegenden Seitenränder (9) der Basisfläche (8) der einfach gekrümmten Schale (1) oder im Bereich des äußeren Randes (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10) angebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalensegmente (2, 20) vor oder nach Durchführen des Formgebungsprozesses an ihren Seitenkanten (3) mittels Verbindungsmittel (4), die vorzugsweise in die Schalensegmente (2, 20) eingegossen sind, schubfest und gegebenenfalls biegesteif miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (4) zweier angrenzender Schalensegmente (2, 20) während des Formgebungsprozesses an den Seitenkanten (3) in Bezug aufeinander ausgerichtet werden, wobei die Verbindungsmittel (4) einander angrenzender Schalensegmente (2, 20) vor oder nach Durchführen des Formgebungsprozesses schubfest und gegebenenfalls biegesteif miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Mitte der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10) liegende Aussparung (16) ausgebildet wird, und dass die Schalensegmente (20) an einem Aussparungsrand (18) durch einen Ring miteinander verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalensegmente (20) am Aussparungsrand (18) mittels Verbindungsmittel (4), die vorzugsweise in die Schalensegmente (20) eingegossen sind, an dem Ring miteinander verbunden werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Formgebungsprozess ein Verfüllen von Fugen (15) zwischen den Schalensegmenten (2, 20) mit einem aushärtenden Vergussmaterial durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf die einfach gekrümmte Schale (1) oder die zweifach gekrümmte Schale (10) nach dem Formgebungsprozess und gegebenenfalls nach dem Verbinden der Verbindungsmittel (4) eine Schicht aus einem Baustoff aufgebracht wird, die mit der einfach gekrümmten Schale (1) oder der zweifach gekrümmten Schale (10) schubfest verbunden wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Schalensegmente (2, 20) unter kontrollierten Bedingungen Sollbruchstellen durch Eindrücken von Kerben in das gegossene, noch nicht ausgehärtete Baumaterial, oder durch Einlegen von Einbauteilen, oder durch nachträgliches Einschneiden vor dem Formgebungsprozess, in den Schalensegmenten (2, 20) geschaffen werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die fertiggestellte zweifach gekrümmte Schale (10) an mindestens drei entlang des äußeren Randes (19) der Basisfläche (80) der zweifach gekrümmten Schale (10) angeordneten Stützen (22) mittels einer Hebevorrichtung hochgehoben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalensegmente (2, 20) aus zumindest einem gießfähigen Material, insbesondere Beton, Stahlbeton, Faserbeton, textilbewehrter Beton, allgemein nichtmetallisch bewehrter Beton, bewehrter oder nichtbewehrter Kunststoff, oder bewehrtes oder nichtbewehrtes Eis, hergestellt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Zugglied aus einer Spanndrahtlitze, Monolitze, Edelstahllitze oder aus faserverstärktem Kunststoff gebildet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechvorrichtung (5) als Lehre oder Bogenlehre ausgebildet ist, die eine konvexe oder konkave Auflagefläche (23, 24) für zumindest ein Schalensegment (2, 20) aufweist.
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