WO2005068740A1

WO2005068740A1 - Verfahren zur herstellung von zweifach gekrümmten schalen

Info

Publication number: WO2005068740A1
Application number: PCT/AT2005/000006
Authority: WO
Inventors: Johann Kollegger; Clemens Preisinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2006-07-14
Also published as: ATE393272T1; WO2005068740A8; DE502005003834D1; EP1706553A1; EP1706553B1

Abstract

Um eine zweifach räumlich gekrümmte Schale ohne Schalung und ohne Zusammenfügen von bogenförmigen Elementen herstellen zu können ist ein Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf einer Arbeitsfläche (15), vorzugsweise einer Ebene, eine flächenmäßig die Fläche der zweifach gekrümmten Schale (10) überschreitende Grundfläche (12) eingemessen wird; und ein Flächenteil dieser Grundfläche (12), der etwa der Differenz zwischen der Grundfläche (12) und der Fläche der Schale (10) entspricht, mit mindestens einem weichen ersten Material (20) mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und ein übriger Flächenteil der Grundfläche (12) mit mindestens einem zweiten Material (22) belegt wird, dessen Elastizitätsmodul wesentlich über dem Elastizitätsmodul des ersten Materials (20) liegt und dessen Druckfestigkeit höher ist als die Druckfestigkeit des ersten Materials; wobei mindestens ein mit dem ersten Material (20) belegter Flächenteil zwischen zwei mit dem zweiten Material (21) belegten Flächenteilen der Grundfläche (12) liegt, und eine Platte (14) mit orthotropen Materialeigenschaften, wie Steifigkeit, gebildet wird; worauf die Grundfläche (12) der Platte (14) unter Bildung der zweifach gekrümmten Schale (10) verkleinert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von zweifach gekrümmten Schalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer zweifach räumlich gekrümmten Schale sowie eine danach hergestellte Schale.

Besonders geeignet für die Herstellung von zweifach räumlich gekrümmten Schalen sind Werkstoffe, die sich gießen lassen, wie z.B. Stahlbeton, Kunststoffe und Wasser bzw. Eis.

Schalen aus den genannten Werkstoffen sind räumlich gekrümmte Flächentragwerke, die zum Beispiel als Überdachung für Ausstellungshallen oder Veranstaltungshallen verwendet werden können.

Zusätzlich zu dem genannten Einsatzgebiet von Schalen zur Überdachung von großen Flächen können zweifach räumlich gekrümmte Schalen aus Holz auch als Schalung zur Formung von Hohlräumen in massiven Betonkonstruktionen, beispielsweise in Staudämmen, eingesetzt werden.

Schalentragwerke zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei geeigneter Form und Lagerung Lasten überwiegend durch Membrankräfte abtragen. Dies fuhrt zu einer äußerst günstigen Materialausnutzung und geringem Materialverbrauch. Den Ersparnissen beim Materialverbrauch stehen aber erhöhte Lohnkosten für die Herstellung räumlich gekrümmter Schalungen entgegen. Ausgeführte Schalentragwerke, wie sie beispielsweise in „Räumliche Dachtragwerke - Konstruktion und Ausführung" von Hermann Rühle, Band 1, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin, 1969, S. 177, 248, 256 und „Heinz Isler - Schalen" von Ekkehard Ramm und Eberhard Schung (Hrsg.), Karl Krämer Verlag, Stuttgart, 1986, S. 51, 68, 70, 77 beschrieben sind, weisen in der Regel komplizierte, räumlich gekrümmte Schalungen aus Holz und/oder Stahl auf.

Um die Kosten für den Bau räumlich gekrümmter Schalungen 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, Seiten 299 bis 302.

Weil die Herstellung und der Einsatz von Gussformen und pneumatischen Schalungen sehr teuer ist, wurden zweifach räumlich gekrümmte Flächentragwerke aus Stäben gebaut. Bei Fachwerkkuppeln wird die kontinuierliche Fläche der Schale durch Stäbe aus Stahl oder Holz ersetzt, die polygonal die gekrümmte Schalenfläche annähern.

Räumlich gekrümmte Flächentragwerke werden als Schalen bezeichnet, wenn die Fläche ein Kontinuum darstellt und im Unterschied zu den genannten Fachwerkkuppeln nicht durch einzelne Stäbe gebildet wird.

Die Fläche einer zweifach räumlich gekrümmten Schale kann auch aus einem nicht gießfähigen Werkstoff, wie beispielsweise Holz, bestehen. In der AT 410 342 wird ein Werkstoff erbund aus biegesteifen, ebenen Holzplatten vorgeschlagen, die die Zuschnittform eines Dreiecks oder Vierecks aufweisen und entlang benachbarter Kanten gelenkig verbunden sind. Damit gelingt die Herstellung von bogenförmigen Schalenstreifen, die aneinandergefügt und miteinander verbunden werden, sodass eine räumlich gekrümmte Holzschale entsteht. Das Herstellen einer räumlich gekrümmten Schale nach diesem Verfahren erfordert das Anheben und Bewegen von bogenförmigen Elementen und ist deshalb auf kleine Spannweiten beschränkt. Zudem ist eine Fertigung der Vielzahl einzelner Holzplatten und deren Gelenkverbindungen arbeits- und kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer zweifach räumlich gekrümmten Schale ohne den Aufbau einer räumlich gekrümmten Schalung und des dazugehörigen Lehrgerüsts bzw. ohne den Einsatz einer pneumatischen Schalung und ohne Anheben, Bewegen und Zusammenfügen von bogenförmigen Elementen zu ermöglichen, das nicht auf kleine Spannweiten beschränkt ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

- zunächst auf einer Arbeitsfläche, vorzugsweise einer Ebene, eine flächenmäßig die Fläche der zweifach gekrümmten Schale überschreitende Grundfläche eingemessen wird, und

- ein Flächenteil dieser Grundfläche, der etwa der Differenz zwischen der Grundfläche und der Fläche der Schale entspricht, mit mindestens einem weichen ersten Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und ein übriger Flächenteil der Grundfläche mit mindestens einem zweiten Material belegt wird, dessen Elastizitätsmodul wesentlich über dem Elastizitätsmodul des ersten Materials liegt und dessen Druckfestigkeit höher ist als die Druckfestigkeit des ersten Materials,

- wobei mindestens ein mit dem ersten Material belegter Flächenteil zwischen zwei mit dem zweiten Material belegten Flächenteilen der Grundfläche liegt, und eine Platte mit orthotropen Materialeigenschaften, wie Steifigkeit, gebildet wird, worauf - die Grundfläche der Platte unter Bildung der zweifach gekrümmten Schale verkleinert wird.

Durch die Ausnutzung der orthotropen Materialeigenschaften der ebenen Platte gelingt es, eine zweifach räumlich gekrümmte Schale, die bei linear elastischem Materialverhalten nicht in einer Ebene abwickelbar wäre, aus der Platte zu formen. Das vorteilhafte Tragverhalten von zweifach gekrümmten Schalen im Vergleich zu Schalen mit einfacher Krümmung oder zu Bögen, stellt sich dabei bereits während des Formgebungsprozesses ein. In Abhängigkeit von der geometrischen Form sowie dem Verhältnis der Elastizitätsmodule und den Flächenanteilen der zumindest zwei unterschiedlichen Baustoffe entsteht ein zweiaxialer Membranspannungszustand in der Schale, der im Hinblick auf ein Stabilitätsversagen gegenüber Tragwerken mit einfacher Krümmung entscheidende Vorteile hat. Biegebeanspruchungen in der Schale während des Formgebungsprozesses müssen durch einen geeigneten Entwurf für die Schalenform und eine sorgfältige konstruktive Durchbildung auf Werte beschränkt bleiben, die von der Schale aufgenommen werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Schale ist dadurch gekennzeichnet, dass sie über die Fläche abwechselnd von mindestens einem weichen ersten Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und mindestens einem zweiten Material gebildet ist, dessen Elastizitätsmodul wesentlich über dem Elastizitätsmodul des ersten Materials liegt und dessen Druckfestigkeit höher ist als die Druckfestigkeit des ersten Materials.

Weitere zweckmäßige Ausführungsformen der Schale sind in Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Platte und die Arbeitsfläche;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IN-IN der Fig. 1 ;

Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Draufsicht auf die Schale während des

Formgebungsprozesses;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie NI-NI der Fig. 5; Fig. 7 bis 10 jeweils einen gemäß Fig. 6 geführten Schnitt weiterer Ausführungsformen;

Fig. 11 eine Draufsicht analog zu Fig. 5 auf eine geänderte Ausführungsform;

Fig. 12 einen Schnitt gemäß der Linie XII-XII der Fig. 11 ;

Fig. 13 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ein weiches Material;

Fig. 14 eine Draufsicht analog zu Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 15 einen Schnitt nach der Linie XV-XV der Fig. 14;

Fig. 16 und Fig. 17 jeweils einen Schnitt gemäß den Linien XVI-XVI und XVII-XVII der

Fig. 14, jedoch im vergrößerten Maßstab; Fig. 18 eine Draufsicht auf die Platte einer anderen Ausführungsform; Fig. 19 eine Draufsicht auf die Schale der anderen Ausführungsform nach Abschluss des

Formgebungsprozesses; Fig. 20 eine perspektivische Ansicht von der Schale der anderen Ausführungsform nach

Abschluss des Formgebungsprozesses; Fig. 21 eine Draufsicht auf die Platte einer weiteren Ausfuhrungsform; Fig. 22 eine Draufsicht auf die Schale der weiteren Ausführungsform nach Abschluss des

Formgebungsprozesses; Fig. 23 eine perspektivische Ansicht von der Schale der weiteren Ausführungsform nach

Abschluss des Formgebungsprozesses.

Das Verfahren dient vorzugsweise zur Herstellung von Stahlbetonschalen 10, aber auch zur Herstellung von Schalen 10 aus Kunststoffen, Eis oder Holz. Das erste Beispiel erläutert die Herstellung einer Ausstellungshalle, die als Stahlbetonschale 10 ausgebildet ist.

Als erster Schritt wird auf einer Arbeitsfläche 15 ein Plattenrand 16 eingemessen und dessen Umfang markiert. Damit wird eine Grundfläche 12 festgelegt, deren Flächenausmaß die Fläche der zu bildenden Schale 10 überschreitet.

Als zweiter Schritt werden auf der Grundfläche 12 Streifen aus einem weichen ersten Material 20 ausgelegt. Ein geeigneter Werkstoff für das weiche Material 20 wäre beispielsweise Schaumstoff aus extrudiertem Polystyrol mit einem Elastizitätsmodul von 300 MP_a. Der Flächenanteil, den das erste Material 20 auf der Grundfläche 12 einnimmt, ist größer als die Differenz zwischen der Grundfläche 12 und der fertigen Schale 10. Als Fläche der Schale 10 ist — wenn die Schale 10 im Vergleich zu ihrer Größe sehr dünnwandig ausgebildet ist — deren Oberfläche gemeint. Es könnte auch — z.B. bei größeren Wanddicken — eine etwa mittig der Dicke liegende Fläche sein. In einem dritten Schritt wird der verbleibende Teil der Grundfläche 12 unter Einsatz einer geeigneten, entlang des Plattenrandes 16 angebrachten Randabschalung mit einem gießfähigen Werkstoff verfüllt, sodass eine Platte konstanter Dicke entsteht. Durch Erhärten des gießfähigen Werkstoffs zu einem druckfesten zweiten Material 22, das in diesem Beispiel aus Stahlbeton mit einem Elastizitätsmodul von 30.000 MP_a besteht, entsteht eine Platte 14 mit orthotropen Materialeigenschaften. Die Steifigkeiten sind hierbei nicht örtlich im druckfesten Material 22 oder im weichen Material 20 zu ermitteln, sondern verschmiert über einen größeren Bereich, der mehrere Streifen aus weichem Material 20 und dazwischen liegende Bereiche aus druckfestem Material 22 umfasst. So ist beispielsweise die tangentiale Steifigkeit der Platte 14 in der Nähe des Plattenrandes 16 wegen des hohen Anteils an weichem Material 20 geringer als in den näher zur Mitte gelegenen Plattenbereichen. Die Steifigkeit der Platte 14 in radialer Richtung ist größer als die Steifigkeit in tangentialer Richtung.

Eine vorteilhafte Art der Bewehrung ist z.B. durch etwa radial angeordnete Stahlstäbe 13, die in Fig. 1 jedoch nur an einer Stelle dargestellt sind, verwirklicht.

Ein Schnitt durch die Platte 14 und die Grundfläche 12 ist in Fig. 2 dargestellt. In der Nähe des Plattenrandes 16 ist ein Spannglied 30 in der Platte 14 angeordnet, und zwar in Beton eingegossen. Die Arbeitsfläche 15 muss derart beschaffen sein, dass ein Gleiten des Plattenrandes 16 auf der Fläche 15 möglich ist. Die in Fig. 2 dargestellte Platte 14 aus weichem Material 20 und druckfestem Material 22 wird auf einer ebenen Arbeitsfläche 15 hergestellt.

Die Streifen aus weichem Material 20 können, wie in Fig. 3 dargestellt, Berührungsflächen zwischen weichem Material 20 und druckfestem Material 22 aufweisen, die normal zur Mittelfläche der Platte 14 sind. Abweichend davon können die Berührungsflächen zwischen weichem Material 20 und druckfestem Material 22 auch einen anderen Winkel als 90° mit der Mittelfläche der Platte einschließen (Fig. 4), um den Formgebungsprozess einfacher zu ermöglichen.

In einem vierten Schritt wird, wie in Fig. 5 dargestellt, durch das Verkürzen des Umfangs 18 des Plattenrandes 16 und die damit einhergehende Stauchung des weicheren ersten Materials 20 in tangentialer Richtung die Grundfläche 12 verkleinert und damit die Platte 14 zu einer Schale 10 mit positiver Gauß' scher Krümmung verformt. Der Durchmesser und die Grundrissfläche der Schale 10 in der Draufsicht gemäß Fig. 5 sind deshalb kleiner als der Durchmesser und die Grundfläche 12 der Platte 14 in der Draufsicht gemäß Fig.l . Die von den Streifen aus dem ersten Material 20 eingenommene Fläche ist entsprechend der während des Formungsprozesses zu erwartenden tangentialen Verkürzung der Platte 14 geformt, wobei zu berücksichtigen ist, dass das zusammengepresste erste Material 20 noch einen - wenn auch geringen — Teil der Fläche der Schale 10 bildet.

Fig. 6 zeigt die Schale 10 während des Formgebungsprozesses, wobei das Verkürzen des Umfangs 18 durch das Anspannen des Spannglieds 30 erfolgt. Wenn die Schale 10 in der Mitte die geplante Höhe erreicht hat, kann der Rand 16 der Schale 10 mit dem Fundament verbunden werden. Auf die Oberfläche der Schale 10 könnte dann eine Ortbetonschicht 37 aufgebracht werden, um eine größere Steifigkeit der Schale 10 zu erreichen oder um durch die zweite Betonschicht eine Abdichtung der Oberfläche gegen Niederschlag zu gewährleisten (vgl. Fig. 11 und 12).

Abweichend vom gezeigten Beispiel könnte der Formgebungsprozess durch das Anheben von einer oder mehreren Stellen der Platte 14 zu Beginn des Formgebungsprozesses mit einem geeigneten Hebezeug unterstützt werden. Eine solche Unterstützung ist in Fig. 9 veranschaulicht. Die Arbeitsfläche 15 ist hierbei mit zwei übereinanderliegenden Membranen bzw. Folien 38, die die Grundfläche 12 überschreiten, bedeckt. Durch Erzeugen eines pneumatischen Druckes zwischen den Membranen oder Folien 38 kommt es zu einer Aufwölbung, wie in Fig. 9 dargestellt. Die Abdichtung des Raumes zwischen den Membranen bzw. Folien 38 erfolgt durch das Eigengewicht der Schale 10. Es kann vorteilhaft sein, zwischen die Membranen bzw. Folien 38 im Bereich des Plattenrandes 16 zur besseren Abdichtung ein weiches Material 46 vorzusehen, insbesondere eine dünne Schicht eines Materials mit gleichen Festigkeitseigenschaften wie das erste Material 20.

Eine weitere Möglichkeit einer Unterstützung der Aufwölbung der Platte 14 ist in Fig. 8 gezeigt, gemäß der eine Art Pneu 39 bei Beginn der Verkleinerung der Grundfläche 12 mit Druckluft beaufschlagt wird.

Fig. 7 zeigt eine leicht gewölbte, d.h. im Zentrumsbereich der Grundfläche 12 mit einer Überhöhung 40 versehene Arbeitsfläche 15, welche Überhöhung jedoch - im Verhältnis zur Erstreckung der Grundfläche 12 - nur eine geringe Höhe aufweist. Die Herstellung der Platte 14 mit einer Überhöhung der Grundfläche, ein Zentrumsbereich von zum Beispiel einem Hundertstel des Plattendurchmessers, wirkt sich günstig auf die während des Formgebungsprozesses enstehenden Schnittgrößen aus und verringert die Beulgefahr der Schale 10 beim Formgebungsprozess; dies zeigt Fig. 7, allerdings maßstäblich verzerrt. Fig. 10 zeigt einen der Fig. 6 entsprechenden Schnitt durch eine Schale 10 mit einer abgeänderten Anordnung der Spannglieder 32 und 36. Das Verkürzen des Umfangs 18 bzw. Verkleinern der Grundfläche 12 erfolgt über Spannglieder 36, die jeweils nur an zwei Punkten mit dem Rand 16 der Schale 10 verbunden sind und die während des Formgebungsprozesses angespannt werden. Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Schale 10 während des Formgebungsprozesses sind in einem mittels Distanzstücke 34 vorgegebenen Abstand Spannglieder 36 außerhalb der aus weichem Material 20 und druckfestem Material 22 ausgebildeten Schale 10 angeordnet. Diese externen Spannglieder 36 sind jeweils am Rand 16 mit der Schale 10 verbunden und erhöhen die Biegesteifigkeit der Schale 10 in radialer Richtung.

Weitere Ausführungsbeispiele sind anhand der Fig. 14 bis Fig. 20 für die Herstellung einer zweifach gekrümmten Schale 10 erläutert, bei der Eis als druckfestes zweites Material 22 verwendet wird.

Entsprechend dem in den Fig. 1 bis 6 erläuterten Beispiel wird zunächst gemäß Fig. 14 die Grundfläche 12 eingemesssen, und es wird entlang des Plattenrandes 16 eine aus Einzelteilen zusammengesetzte Randschalung 41 angebracht. Diese Teile der Randschalung 41 sollen starr sein und können von Beton (Fig. 16) mit einer Bewehrung 42, die in das zweite Material 22 ragt, oder von Holz (Fig. 17) gebildet sein.

Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Teil der Grundfläche 12 mit einem weichen ersten Material 20 mit einem im Vergleich zu Eis niedrigerem Elastizitätsmodul belegt. Die Abmessungen und die Anordnung der Streifen aus weichem Material 20 bestimmen weitgehend die Form der Schale 10, die sich nach dem Formgebungsprozess einstellt.

Wie aus Fig. 14 zu ersehen ist, erstreckt sich das erste Material 20 bis zwischen die die Randschalung 41 bildenden Einzelteile. Die Anordnung der Spannglieder 43 erfolgt vorzugsweise für eine Randschalung 41 aus Beton im Beton selbst, für eine Randschalung 41 aus Holz außerhalb der Einzelteile.

Im dritten Verfahrensschritt wird der verbleibende Teil der Grundfläche 12 mit Wasser gefüllt, was zweckmäßig schichtweise unter Erstarrenlassen der vorher eingebrachten Schichten erfolgt. Vorzugsweise wird ein Glasfasergelege 44 auf der auf Zug beanspruchten Seite der Platte 14 eingelegt. Es wird bei diesem Ausführungsbeispiel angenommen, dass die Herstellung der Schale bei Außentemperaturen unter 0° Celsius erfolgt. Nach dem Gefrieren des Wassers zu Eis mit einem Elastizitätsmodul von 1.000 MP_a wird damit das druckfeste zweite Material 22 der Platte 14 erzeugt.

Im vierten Verfahrensschritt wird die Grundfläche 12 der Platte 14 mittels Vorspannung verkleinert, sodass sich die Streifen aus weichem Material 20 weitgehend schließen und aus der Platte 14 eine zweifach gekrümmte Schale 10 entsteht. In Fig. 19 ist eine Variante einer Schale 10 mit einer in Fig. 18 dargestellten Grundfläche 12 im Grundriss und in Fig. 20 im Schrägriss dargestellt.

Nach dem Verbinden des Schalenrandes 16 mit einem Fundament kann ein Teil der in den Fig. 18 bis 20 nicht dargestellten Vorspannelemente entspannt werden. Die Schale 10 wird infolge Eigengewicht vorwiegend Membranspannungen aufweisen. Bei einer Spannweite von 20 m, einem Stich von 5 m und einer Schalendicke von 0,15 m werden die Spannungen infolge Eigengewicht nur ungefähr 0,15 MP_a betragen. Kriechverformungen werden deshalb klein bleiben und die in Fig. 20 dargestellte Schale 10 aus Eis kann während der kalten Jahreszeit einige Monate als Veranstaltungshalle genützt werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist anhand der Fig. 21 bis 23 die Herstellung einer Schale 10 mit negativer Gauß'scher Krümmung erläutert, bei der Holz als drackfestes Material 22 verwendet wird.

Im ersten Verfahrensschritt wird gemäß Fig. 21 zunächst die Grundfläche 12 eingemessen.

Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Teil der Grundfläche 12 mit Platten, die aus druckfestem zweiten Material 22, beispielsweise Holzwerkstoff, bestehen, belegt.

Im dritten Verfahrensschritt wird ein weiterer Teil der Grundfläche 12 mit einem weichen ersten Material 20 so belegt, dass einige Aussparungen 24 in der Grundfläche 12 entstehen, die weder mit druckfestem zweiten Material 22 noch mit weichem ersten Material 20 belegt sind. Die Streifen aus dem ersten Material 20 weisen bei diesem Beispiel in der Nähe des Plattenrandes 16 eine kleinere Breite als in den mittleren Bereichen der Platte 14 auf, weil aus der Platte 14 eine Schale 10 mit negativer Gauß'scher Krümmung geformt werden soll.

Im vierten Verfahrensschritt wird die Grundfläche 12 der Platte 14 mittels Vorspannung verkleinert, sodass sich die Streifen aus weichem Material 20 weitgehend schließen und aus der Platte 14 eine Schale 10 mit negativer Gauß'scher Krümmung entsteht, die in Fig. 22 im Grundriss dargestellt ist. Die in Fig. 23 perspektivisch dargestellte Schale 10 kann als Ausstellungshalle genützt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung zweifach räumlich gekrümmter Schalen 10 beliebiger Form über beliebigen Grundrissen möglich. Zur Herstellung von Schalen 10 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es sinnvoll sein, weiche erste Materialien 20 mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten und/oder druckfeste zweite Materialien 22 mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten in einer Platte 14 zu verwenden oder die Platte 14 mit veränderlicher Dicke herzustellen, wie dies Fig. 15 zeigt.

Das Verhältnis der vom ersten Material 20 eingenommenen Fläche auf der Grundfläche 12 zur vom zweiten Material 22 eingenommenen Fläche hängt von der gewünschten Aufwölbung der Schale ab. Vorzugsweise nimmt die vom ersten Material 20 eingenommene Fläche auf der Grundfläche 2 bis 30% der Gesamtfläche der Grundfläche ein, insbesondere 4 bis 10%.

Der bevorzugte Werkstoff für das erste Material 20 ist Polystyrol oder Polyurethan mit Fließgrenzspannungen für Polystyrol zwischen 0,1 bis 1,0 MP_a und Polyurethan zwischen 0,3 bis 1 ,2 MP_a. Für das zweite Material 22 kommt Beton, Holz oder Eis in Frage, wobei für Beton die Fließgrenzspannungen zwischen 20 und 100 MP_a bei Druckbelastung liegen. Holz weist Fließgrenzspannungen zwischen 10 und 40 MP_a auf, und zwar bei Zug- und Druckbelastung, Eis 0,5 bis 1,0 MP_a bei Druckbelastung. Hieraus ergibt sich ein Fließgrenzen- Verhältnis der Fließgrenze des zweiten Materials 22 zur Fließgrenze des ersten Materials 20 zwischen 2,5 und 200. Vorzugsweise liegt dies zwischen 5 und 100.

Die Elastizitätsmodule liegen für Beton zwischen 2.000 und 80.000 MP_a, für Eis zwischen 500 und 2.000 MP_a und für Holz zwischen 8.000 und 16.000 MP_a. Für die vorzugsweise verwendeten zweiten Materialien ergeben sich Elastizitätsmodule zwischen 50 und 300 MP_a. Hieraus ergibt sich, dass das Verhältnis der Elastizitätsmodule des zweiten Materials 22 zum ersten Material 20 zwischen 10 und 300 liegt, vorzugsweise soll es zwischen 50 und 200 liegen.

Nachfolgend ist anhand eines Rechenbeispieles die Ermittlung der mit erstem und zweitem Material 20, 22 zu belegenden Flächenteile einer Grundfläche 12 für eine Schale 10 mit Halbkugelform erläutert, wobei die Halbkugel den Radius R, eine Oberfläche 0 = 2 R² π und einen halben Umfang von b = R π aufweist. Der Durchmesser der Grundfläche 12 muss die Größe von b aufweisen, woraus sich eine

Grundfläche von A π ergibt.

Daraus und aus der Oberfläche der Halbkugel ergibt sich eine Flächendifferenz:

Hieraus errechnet sich ein Verhältnis der Flächendifferenz zu Fläche der Grundfläche:

Nimmt man nun ein Verhältnis der Breite des ersten Materials 20 nach dem Stauchen zur

18 9 Ausgangsbreite von 0,2 an, folgt, dass — — = 23,7% der Ausgangsplatte mit weichem ersten

0,8

Material 20 zu belegen sind.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Herstellung einer zweifach räumlich gekrümmten Schale (10), dadurch gekennzeichnet, dass

- zunächst auf einer Arbeitsfläche (15), vorzugsweise einer Ebene, eine flächenmäßig die Fläche der zweifach gekrümmten Schale (10) überschreitende Grundfläche (12) eingemessen wird, und

-ein Flächenteil dieser Grundfläche (12), der etwa der Differenz zwischen der Grundfläche (12) und der Fläche der Schale (10) entspricht, mit mindestens einem weichen ersten Material (20) mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und ein übriger Flächenteil der Grundfläche (12) mit mindestens einem zweiten Material (22) belegt wird, dessen Elastizitätsmodul wesentlich über dem Elastizitätsmodul des ersten Materials (20) liegt und dessen Druckfestigkeit höher ist als die Druckfestigkeit des ersten Materials,

- wobei mindestens ein mit dem ersten Material (20) belegter Flächenteil zwischen zwei mit dem zweiten Material (21) belegten Flächenteilen der Grundfläche (12) liegt, und eine Platte (14) mit orthotropen Materialeigenschaften, wie Steifigkeit, gebildet wird, worauf

- die Grundfläche (12) der Platte (14) unter Bildung der zweifach gekrümmten Schale (10) verkleinert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenteil der Grundfläche (12), der mit dem ersten Material (20) belegt ist, größer bemessen ist als die Differenz zwischen der Grundfläche (12) und der Fläche der Schale (10).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Verkleinern der Grundfläche (12) der Platte (14) ein Anheben mindestens einer Stelle der Platte (14) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleinern der Grundfläche (12) der Platte (14) durch ein Verkürzen des Umfangs (18) des Plattenrandes (16) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material (20) ein Material mit nichtlinearem Materialverhalten eingesetzt wird und beim Formgebungsprozess im ersten Material (20) bleibende Stauchungen gebildet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nicht die gesamte Grundfläche (12) mit dem ersten und zweiten Material (20, 22) belegt wird, sodass die Platte (14) eine oder mehrere Aussparungen (24) aufweist, die in der Schale (10) eine oder mehrere vorbestimmte Ausnehmungen bilden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Berührungsflächen zwischen weichem Material (20) und zweitem Material (22) mit einem Winkel zur Mittelfläche der Platte (14) eingerichtet wird, der von 90° abweicht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Material (22) Distanzstücke (34) verankert werden und dass auf den Distanzstücken (34) Spannglieder (32) verlegt und am Plattenrand (16) verankert werden, wobei diese Spannglieder (32) beim Formgebungsprozess bei Bedarf angespannt oder nachgelassen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Platte (14) Spannglieder (30), vorzugsweise im Umfangsbereich, angeordnet und beim Formgebungsprozess bei Bedarf angespannt oder nachgelassen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleinem der Grundfläche (12) der Platte (14) mittels Anspannen von Spanngliedem (36), die jeweils an zwei Punkten mit dem zweiten Material (22) am Plattenrand (16) verbunden sind, durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsfläche (15) zur Hilfe beim Aufwölben mit einer Überhöhung (40) geringer Höhe versehen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweifach gekrümmte Schale (10) nach Abschluss des Formgebungsprozesses eine Schicht aus dem zweiten Material (22) oder eine Schicht mit etwa gleichem Elastizitätsmodul aufgebracht wird, die mit der zweifach gekrümmten Schale (10) schubfest verbunden wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Gmndfläche (12) zuerst mit dem ersten Material (20) belegt wird und das zweite Material (22) auf die Arbeitsfläche (15) gegossen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Grundfläche (12) zuerst mit dem zweiten Material (22) belegt wird und das erste Material (20) auf die Arbeitsfläche (15) gegossen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Material (22) ein Material mit einem Elastizitätsmodul zwischen 1.000 MP_a und 80.000 MP_a verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Elastizitätsmodule des zweiten Materials (22) zum ersten Material (20) zwischen 10 und 300 liegt, vorzugsweise zwischen 50 und 200.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhung der Arbeitsfläche (15) in ihrer Höhe während des Verkleinems der Grundfläche (12) verändert wird, vorzugsweise durch Aufblasen eines Balges, Pneus (39) oder dergleichen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließgrenzenverhältnis der Fließgrenze des zweiten Materials (22) zur Fließgrenze des ersten Materials (20) zwischen 2,5 und 200, vorzugsweise zwischen 5 und 100, liegt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Material (20) eingenommene Fläche auf der Grandfläche (12) zwischen 2 und 30% der Gesamtfläche der Grundfläche (12) beträgt, vorzugsweise 4 bis 10%.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Belegung der Grundfläche (12) die Materialien (20, 22) in Zentrumsnähe der Gmndfläche (12) dünner gehalten werden als im Randbereich, wobei das Verhältnis der Dicke im Randbereich zur Dicke in Zentrumsnähe zwischen 1,1 und 6, vorzugsweise zwischen 1,1 und 3, eingestellt wird.

21. Zweifach räumlich gekrümmte Schale, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie über ihre Fläche abwechselnd von mindestens einem weichen ersten Material (20) mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und mindestens einem zweiten Material (22) gebildet ist, dessen Elastizitätsmodul wesentlich über dem Elastizitätsmodul des ersten Materials (20) liegt und dessen Durckfestigkeit höher ist als die Druckfestigkeit des ersten Materials (20).

22. Schale nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Schale (10) mit negativer Gauß'scher Krümmung, d.h. als Sattelfläche, ausgebildet ist.

23. Schale nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im wesentlichen ebenen Umfangsrand (18) aufweist.

24. Schale nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Ausnehmungen (24) versehen ist, wie beispielsweise mit Ausnehmungen, die in den Umfangsrand übergehen.

25. Schale nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (22) mit einer Bewehrung (13, 44) versehen ist, wie einer Stahl- oder Glasfaserbewehrung.

26. Schale nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie ganzflächig mit einer Schicht (37) aus dem zweiten Material (22) oder einem in den mechanisch-technologischen Werten diesem entsprechenden Material bedeckt ist, und dass diese Schicht (37) schubfest mit der abwechselnd aus erstem und zweitem Material (20, 22) gebildeten Schale (10) verbunden ist.

27. Schale nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfangsrand (18) ein aussteifendes Randelement (41), vorzugsweise mit Bewehrung (42), vorgesehen ist, in dem oder an dem ein Umfangsspannglied (30) vorgesehen ist.