DE4016028A1 - Schalenfoermiger koerper zur herstellung eines ueberdeckten raumes oder einer flaechengruendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Schalen als eigenständige Raumgebilde oder als Schalung zur Überbauung mit einem anderen Material. Dabei sollen Räume mit gerad­ linigen Polygongrundrissen ausführbar sein, so daß eine flächendeckende, rasterförmige Bebauung möglich ist, die auch mehrgeschossig sein kann. Eine monolithische Ausfüh­ rung, z. B. in Beton, soll mit einfachen Hilfsmitteln möglich sein.

Weitere Anwendungen sind die Herstellung eines Flächen­ fundamentes als umgekehrtes Gewölbe sowie ein selbsttra­ gendes, gewölbeförmiges Zelt aus elastischer Folie.

Schalenförmige Baukörper erlauben bekanntlich die Aus­ nutzung der Membrantragwirkung. Trotz des Vorteils der hohen Tragfähigkeit bei sparsamen Materialeinsatz ist die Anwen­ dung von Schalentragwerken im Bauwesen gering geblieben. Zwei Probleme erschweren die Anwendung.

Problem 1: Die formgerechte Herstellung der gekrümmten Flächen ist besonders bei monolithischer Ausführung kom­ pliziert (Schalungsproblem). Lehrgerüste und Schalung sind aufwendig und können nur für größere Spannweiten wirt­ schaftlich hergestellt werden. Für kleinere und mittlere Spannweiten fehlen einfache Lösungen zur Herstellung einer Schalung.

Bekannt ist zwar die Herstellung von Betongewölben für Wohn­ häuser mit kleinen bis mittleren Spannweiten unter An­ wendung von Spritzbeton. Der Bau einer Schalung kann hier entfallen, wenn in der gewünschten, gewölbten Form Draht­ gitter aufgestellt und anschließend lagenweise mit Spritzbeton beschichtet werden. (Zeitschrift "Beton", Jahrgang 38, Heft 7, S. 279-280). Das hierbei angewendete lagenweise Aufspritzen des Frischbetons ist jedoch arbeits- und zeitaufwendiger als das Einbringen des Betons in eine Schalung.

Problem 2: Schalenbauten mit runder oder ovaler Form sind in ihrer Anwendbarkeit eingeschränkt. Ein rasterförmiges Aneinanderfügen der Baukörper zu linienförmiger oder flächendeckender Bebauung ist erschwert, ebenso das mehr­ geschossige Bauen (Geometrieproblem).

Für große, aber auch für mittlere bis kleine Spannweiten ist die Herstellung gewölbter Betontragwerke unter Verwen­ dung einer flexiblen Textilschalung bekannt, die mit Druck­ luft aufgeblasen wird. Die Baukörper haben runde oder ovale Grundrißformen und sind vorrangig für Einzelgebäude und weniger für eine flächendeckende Bebauung geeignet. Zudem entstehen durch die Verformung der Tragluftschalung wäh­ rend des fortschreitenden Betoniervorgangs besonders im oberen, annähernd waagerecht liegenden Scheitelbereich unerwünschte Verformungen, die den Bauablauf erschweren (Zeitschrift "Beton", 39. Jahrgang, Heft 1, S. 22).

Zur Herstellung von Flächenfundamenten mit nach unten, gegen das Erdreich gerichteter Wölbung sind Ausführungen aus Mauerwerk und auch aus monolithischem Beton als soge­ nannte umgekehrte Gewölbe vorrangig für Streifenfundamente bekannt. Für punktförmige Belastungen (Säulen, Pfeiler) sind Gewölbefundamente wahrscheinlich wegen des höheren Aufwandes für Schalung und Formgebung in neuerer Zeit nicht angewendet worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Herstellung von schalenförmigen Tragwerken über gerad­ linigen Polygongrundrissen für kleine bis mittlere Spann­ weiten anzugeben.

Eine monolithische Ausführung - gedacht ist hierbei in erster Linie an Beton - soll mit einfachen Hilfsmitteln möglich sein. Das Prinzip des Einbaus von Beton in eine Schalung ist einfach und zuverlässig und soll deshalb bei­ behalten werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht dem­ zufolge darin, die Herstellung der Schalung zu verein­ fachen bei gleichzeitiger Lösung des erwähnten Geome­ trieproblemes. Die übliche, aus einer größeren Anzahl von Einzelelementen zusammengesetzte Schalung soll er­ setzt werden durch einen vorgefertigten, flächenhaften, leichten Schalungskörper, der für Transport und Montage hinreichend beigesteif und einfach zu handhaben ist. Die Aufgabe besteht ferner darin, eine Lösung für be­ wehrungsarme oder bewehrungsfreie Betonkonstruktionen anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in der Weise gelöst, daß der Schalungskörper die Form einer aus zwei gekrümmten Flächen zusammengesetzten Winkelschale erhält. Die Form der Winkelschale entspricht einem Segment, das in der Durchdringungsfigur von zwei sich kreuzenden, endlich langen, in gleicher Pfeilrichtung gewölbten Zylinder­ flächen durch zwei Schnitte entlang oder parallel zu den beiden Wölbungsscheitellinien begrenzt ist.

Zur Verbesserung der Steifigkeit und gleichzeitig als Stoß zu den benachbarten Schalungskörpern werden die Ränder der Winkelschale durch die Anordnung von Flanschen wiederum als Winkelprofil ausgebildet. Durch eine wechselseitige Anbringung der einzelnen Randflansche (z. B. entlang der Scheitellinien nach innen und entlang der Quer­ schnitts- und Fußlinien nach außen) kann erreicht werden, daß die Winkelschalen auch dann ineinander passend stapelbar sind, wenn alle Ränder in der beschriebenen Weise als Winkelprofil ausgebildet sind.

Der Durchdringungswinkel der sich kreuzenden Zylinder­ schalen kann so gewählt werden, daß mit den erfindungs­ gemäßen Winkelschalen Räume mit drei-, vier- oder mehr­ eckigem Grundriß herstellbar sind.

Die Form der Winkelschalen kann in analoger Weise auch von anderen geometrischen Formen abgeleitet werden, z. B. aus der Durchdringungsfigur vieleckiger Prismen, elliptischer oder hyperbolischer Paraboloide oder ähnlicher, gewölbter Flächen.

Als weitere Variation können an den Rändern der Winkel­ schale anstelle der als Winkelprofil ausgebildeten Flansche auch andere Vorrichtungen für eine einmalig oder wiederholt herstellbare Verbindung zu den benachbarten Winkelschalen angebracht sein, z. B. Nut- und Federstoß. Die Form der Winkelschale kann in der Weise abgewandelt werden, daß die in der Mitte vorhandene Kehle nicht als Grat ausgebildet, sondern ausgerundet ist.

Auch kann entlang der Kehllinie der Winkelschale eine Vor­ richtung für eine einmalig oder wiederholt herstellbare Verbindung vorhanden sein. Für den Fall, daß die erfin­ dungsgemäßen Winkelschalen auch für größere Spannweiten angewendet werden sollen, können die beiden gekrümmten oder vieleckigen Flächen beiderseits der Kehle auch aus mehreren Streifen oder Teilstückchen bestehen, die unter­ einander biegesteif zusammensetzbar sind, z. B. mit Steck­ verbindungen oder Nut- und Federstoß.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß großflächige, leichte, transportfähige Schalensegmente hergestellt werden können, die ineinander passend stapel­ bar sind. Die erfindungsgemäßen Winkelschalen erreichen durch ihre besondere Geometrie ein hohes Maß an Biege­ steifigkeit und können die Beanspruchungen bei Transport, Umschlag, Lagerung und Montage aufnehmen.

Die Winkelschalen lassen sich in einfacher Weise zu Ge­ wölbetragwerken, Faltwerken oder Pilztragwerken zusammen­ setzen, die besonders gut zur Aufnahme von Über­ deckungslasten geeignet sind; als Schalung zum Überbauen mit Frischbeton und im überbauten Zustand als Betonschale für vegetationstragende, erdbedeckte Bauten, oder für den Bau massiver Häuser für extreme Klimaeinflüsse, wie Hitze, Kälte, Sturm. Die erfindungsgemäßen Winkelschalen sind aber auch als transportable Bauelemente für schnell auf­ stellbare Unterkünfte geeignet, die später an anderer Stelle wiederverwendet oder in der beschriebenen Weise an Ort und Stelle massiv überbaut werden können. Mit den er­ findungsgemäßen Winkelschalen können ferner vorhandene Flachdächer überbaut, begrünt und in ihrem architektoni­ schen Erscheinungsbild verbessert werden.

Ähnlich wie erdbedeckte Häuser können begehbare, gewölbte Sohlen für Deponien gebaut werden.

Zur Herstellung eines gewölbeförmigen Flächenfundaments werden die erfindungsgemäßen Winkelschalen umgekehrt mit der Wölbung nach unten auf den Erdkörper gestellt.

Da die Schalenform einer vorwiegend unter Druckspannung stehenden Membran entspricht, können bewehrungsarme oder auch bewehrungsfreie und damit gegenüber Stahlkorrosion unempfindliche Betonkonstruktionen ausgeführt werden.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Herstellung eines selbsttragenden Schalenzeltes aus elastischer Folie.

Nachfolgend werden fünf Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Zeichnungen sind dargestellt

Fig. 1 vier Winkelschalen gleicher Form als Bestandteile für ein Gewölbetragwerk,

Fig. 2 ein aus vier Winkelschalen gleicher Form bestehen­ des Gewölbetragwerk im zusammengesetzten Zustand,

Fig. 3 eine Winkelschale als Ausschnitt aus einer Durch­ dringungsfigur zweier Parabelzylinder,

Fig. 4 als Gegenstück zum Gewölbe ergeben vier Winkel­ schalen gleicher Form die Schalung für ein Pilztragwerk,

Fig. 5 ein Haus, hergestellt aus einer Kombination aus Pilztragwerken und Gewölben,

Fig. 6 Querschnitt durch ein Haus mit gewölbten Räumen und vegetationstragendem, erdbedecktem Dach,

Fig. 7 ein aus Winkelschalen zusammengesetztes Tragwerk über dreieckigem Grundriß,

Fig. 8 desgleichen über sechseckigem Grundriß,

Fig. 9 eine schnell herstellbare Unterkunft für Notfälle, die aus Winkelschalen gleicher Form zusammengesetzt ist,

Fig. 10 vegetationstragende, erdbedeckte Haube zur nach­ träglichen Begrünung eines vorhandenen Flachdaches,

Fig. 11 ein selbstragendes Schalenzelt mit lösbarer und wiederholt herstellbarer Verbindung entlang der Kehllinie.

Beispiel 1: Bau eines Hauses mit gewölbten Räumen

Die Schalung für die einzelnen Räume des Hauses wird aus jeweils vier der erfindungsgemäßen Winkelschalen 1 zusam­ mengesetzt (Fig. 1 und 2). Die Winkelschalen 1 haben die Form eines Segments, das aus der Durchdringungsfigur zweier Parabelzylinder 2 und 3 durch zwei Schnitte ent­ lang der Wölbungsscheitellinien herausgeschnitten ist (Fig. 3). Der Durchdringungswinkel ist in diesem Fall 90°. Die Ränder der Winkelschale sind durch Flansche 4 und 5 wiederum als Winkelprofil ausgebildet. Die Flansche entlang der Scheitellinien 4 sind nach innen, die Flansche entlang der Zylinderquerschnittslinien 5 nach außen ge­ richtet. Durch die wechselseitige Anordnung der Rand­ flansche sind die Winkelschalen ineinander passend stapelbar.

Analog zum Gewölbe (Fig. 2) können dieselben Winkelschalen als Schalung für ein Pilztragwerk zusammengesetzt werden (Fig. 4). Im Gegensatz zu Fig. 1 und 2 sind die Flansche entlang der Scheitellinien 4 nach außen gerichtet, weil dadurch das Aufbetonieren einer zugkraftübertragenden Deck­ fläche vereinfacht wird. Die Flansche entlang der Zylinder­ querschnittlinien 5 sind nach innen gerichtet. Mit Hilfe einer entsprechenden Anzahl von vorgefertigten Winkel­ schalen wird die Schalung für ein Haus mit mehreren Räumen zusammengesetzt. Fig. 5 zeigt eine Kombination von Pilz­ tragwerken und Gewölben. In Fig. 5 wurde auf die Darstel­ lung der Randflansche entlang der Zylinderquerschnitts­ linien verzichtet. Nach außen hervorstehende Randflansche können ähnlich wie bei historischen Gewölbenuten als Rippen gestaltet werden.

Die Schalung aus vorgefertigten Winkelschalen wird auf vor­ bereitete Fundamente gestellt. Die Winkelschalen können aus Faserbeton, aus beschichtetem Gips, aus verleimten Holz­ spänen oder Fasern, aus Sperrholz oder aus Kunststoff her­ gestellt werden, einschichtig oder mehrschichtig, z. B. als Sandwichquerschnitt. Wie in Beispiel 2 beschrieben, wird in die Schalung Beton eingebracht.

Beispiel 2: Bau eines Hauses mit erdbedecktem, vegetations­ tragendem Dach

Analog zu Beispiel 1 werden Winkelschalen 1 zu Gewölben zusammengesetzt. Sie dienen als Schalung zum Betonieren. In die Schalung wird Beton wie folgt eingebracht (Fig. 6): Zuerst werden die Stützen 6 mit Beton gefüllt. Anschlie­ ßend werden die flacher geneigten Schalenflächen 7 mit Be­ ton überbaut. Dabei wird in bekannter Weise Bewehrung eingelegt. Die verbleibenden Hohlräume 8 werden mit Mager­ beton oder Erdmaterial ausgefüllt. In bekannter Weise fol­ gen Wärmedämmschicht, Dichtung, Schutzbeton und Erdbedeckung. Das Haus kann in der beschriebenen Weise auch mehrgeschossig mit gewölbten Räumen gebaut werden, wobei die Fußböden als zugkraftübertragende Scheibe zur Aufnahme des Gewölbe­ schubs oder der Zugkraft an der Oberseite von Pilztrag­ werken ausgebildet werden können.

Ebenso wie die bisher gezeigte quadratische Grundrißform können architektonisch interessante Räume mit rechteckigem, dreieckigem oder vieleckigem Grundriß gebaut werden, je nach der Geometrie und dem Schnittwinkel der Durchdrin­ gungsfigur, aus der die Form der Winkelschalen 1 abgelei­ tet wird (Fig. 7 und 8). Dem jeweiligen Raster im Grundriß entsprechend können die Außenwände polygonförmig versetzt angeordnet werden.

Beispiel 3: Schnell herstellbare Unterkünfte, z. B. für Notfälle oder extreme Klimabedingungen

Winkelschalen 1 aus Metall, Kunststoff, Sperrholz oder Faserbeton wie im Beispiel 1 werden ineinander gestapelt antransportiert und ähnlich wie ein Zelt aufgestellt. Die Öffnungen können mit vorgefertigten Stirnwänden mit Türen geschlossen werden (Fig. 9). Bei kaltem oder heißem Klima können die gewölbten Außenflächen mit geeignetem Schüttgut überdeckt werden, z. B. Laub, Zweige, Schnee, Matten aus Dämmstoffen, oder mit Sand, in den ein Bindemittel einge­ mischt ist. Die Randflansche entlang der Gewölbequer­ schnittlinien 5 sind nach innen angeordnet und dienen als Anschlagskanten für die Befestigung der Stirnwände. Die Randflansche entlang der Scheitellinien 4 sind nach außen gerichtet. Durch einen übergelegten Falz kann die Stoßfuge einfach und zuverlässig regendicht hergestellt werden.

Beispiel 4: Ein vorhandenes Flachdach soll als Gartendach nutzbar gemacht und in seinem architektonischen Erschei­ nungsbild verbessert werden

Mit den erfindungsgemäßen Winkelschalen 1 wird ein vor­ handenes Flachdach überbaut, dessen Dachflächen für eine Erdbedeckung nicht ausreichend tragfähig sind. Die Spann­ weite der Schalen wird so bemessen, daß die Stützen jeweils auf den tragenden Wänden des Hauses stehen. Die Randflansche entlang der Scheitellinien 4 sind nach innen gerichtet. Ähnlich wie in Beispiel 2 werden die Winkelschalen mit Beton überbaut. Darauf folgen Ausgleichsbeton, Wärmedäm­ mung, Dichtung, Schutzbeton und Erdbedeckung. Das Dach kann danach bepflanzt und als Gartendach genutzt werden. Die darunter entstandenen gewölbten Räume können als Wohnungen verwendet werden (Fig. 10).

Beispiel 5: Selbsttragendes, schalenförmiges Zelt

Winkelschalen 1 mit der Form wie in Ausführungsbeispiel 1, jedoch aus einer elastischen Plastfolie hergestellt, sind entlang der Kehle 9 mit einem Reißverschluß versehen (Fig. 11). Anstelle der Randflansche sind entlang der Rän­ der biegesteife Steckverbindungen, z. B. als Nut- und Federstoß, ausgebildet. Die Winkelschalen können durch Lösen der Reißverschlüsse entlang der Kehlen in je zwei Einzelflächen 10 getrennt und platzsparend entweder im aufgerollten oder im planebenen Zustand transportiert werden. Zum Aufstellen des Schalenzeltes werden die Reiß­ verschlüsse entlang der Kehlen wieder geschlossen und die Nut- und Federverbindungen entlang der Scheitellinien zusammengesteckt, wobei die Gewölbeform durch die Geometrie der Einzelflächen von selbst entsteht. Durch die günstige Tragwirkung der Schalenform kann das Zelt unter besonders kalten oder warmen Klimabedingungen - wie in Anwendungsbeispiel 3 - überdeckt werden, z. B. mit Schnee oder mit Zweigen. Zur Herstellung eines Zeltes mit größerer Spannweite können die beiden zur Winkelschale zusammengesetzten Einzelflächen 10 wiederum aus Teilstücken bestehen, die untereinander biegesteif zusammensetzbar sind.

Erlärung der Zeichen

 1 Winkelschale
 2 Parabelzylinder
 3 zweiter Parabelzylinder, der den ersten durchdringt
 4 Randflansch entlang einer Scheitellinie
 5 Randflansch entlang einer Gewölbequerschnittslinie
 6 Stütze
 7 Schalenfläche
 8 Hohlraum
 9 Kehle
10 Einzelfläche; eine der beiden gekrümmten Flächen einer Winkelschale

Claims (6)

1. Schalenförmiger Körper zur Herstellung eines überdeckten Raumes oder einer Flächengründung, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei zu einer winkelförmigen Schale zusammen­ gesetzte gekrümmte Flächen die Gestalt eines Segments haben, das in der Durchringungsfigur von zwei sich kreuzenden, endlich langen, in gleicher Pfeilrichtung gewölbten zylindrischen Flächen durch zwei Schnitte ent­ lang oder parallel zu den beiden Wölbungsscheitellinien begrenzt ist, und daß zwei oder mehr Ränder des Segments durch Anordnung von Flanschen wiederum als Winkelprofile ausgebildet sind.

2. Schalenförmiger Körper nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchdringungsfigur nicht aus zylin­ drischen Flächen besteht, sondern aus den Mantelflächen vieleckiger Prismen, elliptischer oder hyperbolischer Paraboloide, oder aus Kombinationen der genannten oder ähnlicher gewölbter Flächen.

3. Schalenförmiger Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder des Segments nicht winklig zur Schalenebene als Flansche, sondern als Überlappungsstöße, als Nut- und Federstöße oder als Durchdringungsstöße ausgebildet sind.

4. Schalenförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mitte des Segments vorhandene Kehle ausgerundet ist.

5. Schalenförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Kehllinie eine Stoßfuge für eine einmalig oder wiederholt her­ stellbare Verbindung ausgebildet ist.

6. Schalenförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen beider­ seits der Kehle aus mehreren Teilstücken bestehen, die untereinander biegesteif zusammensetzbar sind.