DE19823610A1

DE19823610A1 - Integriertes rechnergestütztes Entwurfs- Konstruktions- und Fertigungsverfahren unter Verwendung eines Schaltisches für frei geformte Bauteile und erhärtende Materialien

Info

Publication number: DE19823610A1
Application number: DE1998123610
Authority: DE
Inventors: Florian-Peter Kosche
Original assignee: KOSCHE FLORIAN PETER
Current assignee: KOSCHE FLORIAN PETER
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: DE19823610B4

Abstract

Doppelt gekrümmte Bauteile, insbesondere im Bauwesen, sind in den meisten Fällen nur mit unvertretbar hohem Aufwand herstellbar. Es existieren leistungsfähige rechnergestützte Verfahren zur Visualisierung, Berechnung und Optimierung doppelt gekrümmter Geometrien, dennoch fehlen die zugehörigen wirtschaftlichen Bauverfahren. DOLLAR A Man kann unterscheiden zwischen doppelt verkrümmbaren Schalhautkonstruktionen und modellierenden Verfahren. Die erste Lösung basiert auf Schalhautkonstruktionen, die in ihrer Ebene stark verzerrbar sind, dazu werden durch rechnergesteuerte Verstellkonstruktionen (1) reversibel verformbare und verzerrbare Gitterroste (2) mit einer schubweichen Haut (3) verwendet. DOLLAR A Modellierende Verfahren sind aus Schüttgut bestehende Formen, die maßgenau mit rechnergesteuerten Lehren geformt werden. DOLLAR A Anwendungsgebiet sind die wirtschaftliche, genaue und auch elementweise Fertigung von freigeformten Flächen aus erhärtenden Materialien. Diese Flächen können zum Beispiel für Schalentragwerke, Fassadenelemente oder verlorene Schalungen verwendet werden. Eine weite Verbreitung der technisch hocheffizienten und gestalterisch sehr interessanten Formen ist möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Anwendungsgebiet

Beliebig große, bevorzugt flächige, frei geformte, dünne bis mäßig dicke Bauteile sollen auf einer rechnergesteuerten, ein- und verstellbaren, elastisch flexiblen, in zwei Richtun gen verkrümmbaren und verzerrbaren Form, im folgenden als Schaltisch bezeichnet, her gestellt werden. Bei großen Bauteilen kann elementweise vorgegangen werden, die gefertigten Elemente können zum Bauteil zusammengesetzt und die konstruktiven Verbin dungen in den Fugen hergestellt werden.

Insbesondere beliebige Anwendungen frei geformter, doppelt gekrümmter Bauteile im Bauwesen, wie Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbauteile, formoptimierten Schalen tragwerken mit komplizierten Geometrien, Dickenänderungen und Aussparungen oder entsprechende verlorene Schalungen, werden überhaupt baubar. Sie sollen sehr wirt schaftlich und in hoher Qualität hergestellt werden können. Anwendungen in anderen Be reichen, bei denen flächige freigeformte Elemente benötigt werden, sind denkbar.

Das Ziel ist ein Verfahren zum integrierten rechnergestützten Entwurf, Formoptimierung, Berechnung, Konstruktion, Fertigungssteuerung und elementweiser Fertigung der flächi gen Bauteile auf dem Schaltisch mit anschließendem Zusammen-, Einbau oder Montage.

Stand der Technik

Der Stand der Technik kann grob in konventionell eingeschalte, pneumatisch gestützte und modellierte Schalungen sowie Kombinationen daraus unterschieden werden. Einen guten Einblick in den frühen Schalenbau und den Großschalenbau geben Sanchez-Arcas (1961) und Joedicke (1962), auf die weitere Entwicklung vor allem im Bereich der pneu matisch gestützten Schalungen geht Sobek (1987) ein.

DE 35 00 153 A1 beschreibt eine Pneumatische Schalung mit zusätzlichen Möglichkeiten zur Einstellung spezieller "pneumatisch bildbarer" Formen. DE 38 41 579 A1 beschreibt Möglichkeiten für den Bau von nur einfach gekrümmten, wiederverwendbaren Schalun gen.

Im Bereich der Visualisierung, Formoptimierung von Oberflächen und deren statisch kon struktiven Berechnung und Konstruktion unter Berücksichtigung der vielfältigsten Materia lien und Geometrien sind geeignete Verfahren entwickelt und anwendungsreif (Form optimierung: Ramm (1993), Berechnung: "Methode der finiten Elemente"). Sie beinhalten keine Möglichkeiten zur Fertigung.

Im Bereich des Maschinenbaues werden computergesteuerte Fräsvorrichtungen zur Her stellung beliebiger Körper verwendet.

Die Vorfertigung von Bauteilen in allen Bereichen der Technik ist bekannt. Im Bauwesen wird sie als Fertigteilbauweise bezeichnet.

Nachteile des Standes der Technik

Doppelt gekrümmte Flächentragwerke sind im Bereich des Bauwesens und großer Bau teile im allgemeinen, nicht in beliebigen Formen und Größen optimal an die gestalteri schen, konstruktiven, statischen und wirtschaftlichen Belange angepaßt herstellbar.

Es sind nur bestimmte Formen wie zum Beispiel Kuppeln, hyperbolische Paraboloide und Konoide herstellbar. Aus statischen und konstruktiven Gründen notwendige Abweichun gen (z. B. Überhöhungen) von einfach zu schalenden Oberflächengeometrien sind nicht, oder nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren.

Die Oberflächengeometrie ist stark abhängig vom Herstellverfahren. Es ist sehr schwierig eine beliebige Oberflächengeometrie im wirtschaftlich vertretbarem Rahmen herzustellen.

Die Wiederverwendbarkeit und Anpaßbarkeit geänderter Schalungen ist nur in sehr gerin gen Umfang möglich.

Die Herstellung auf der Baustelle, insbesondere unter Verwendung der Ortbetonbau weise, kann zu vielen wirtschaftlichen, konstruktiven und qualitativen Nachteilen führen.

Diese Nachteile begründen die geringe Verbreitung von Schalentragwerken und frei geformten Bauteilen in unserer gebauten Umwelt.

Die im Maschinenbau üblichen Frästechniken sind auf sehr kleine Bauteile beschränkt und nicht für Bauwerke mit Abmessungen von mehr als wenigen Metern geeignet. Zudem muß das Material leicht bearbeitbar sein und kann wegen dieser Eigenschaft nur selten als konstruktiver Werkstoff im Bauwesen verwendet werden. Vielmehr kann es nur als Schalung für den eigentlichen, konstruktiven Werkstoff (z. B. Stahlbeton) verwendet wer den.

Die Fertigteilbauweise ermöglicht die effiziente Herstellung von Betonbauteilen, bedingt aber nach dem Stand der Technik die Herstellung identisch geformter Teile, um wirtschaft liche Anwendung finden zu können.

Aufgabe der Erfindung

Die unbegrenzte Vielfalt der strukturmechanisch effizienten und von der Gestalt vorteilhaf ten, beliebig freigeformten Flächen mit vielfältigsten Anwendungen im Bereich des Bau wesens und der Technik im allgemein, soll kostengünstig, schnell und genau hergestellt werden. Das Ziel ist ein integriertes, rechnergestütztes Verfahren zum Entwurf, zur Form optimierung, Berechnung, Konstruktion, Fertigungssteuerung und anschließenden, insbe sondere elementweisen Fertigung flächiger Bauteile auf dem Schaltisch.

Die prinzipielle Vorgehensweise soll es ermöglichen möglichst viele verschiedenartige Materialien abzudecken, die in Formen erhärten können.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ei nem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das beschriebene Entwurfs- und Fertigungskonzept bietet bis jetzt unerreichte Vorteile, weil beliebig flächige und beliebig geformte Oberflächengeometrien mit dem Schaltisch dank seiner Einstellbarkeit und Flexibilität gebaut werden können. Das Ergebnis ist eine Schalung für alle Oberflächengeometrien und damit hohe Wirtschaftlichkeit. Der Entwurf die Verarbeitung und Fertigungssteuerung durch den Computer reduzieren den Planungs aufwand und erlauben Visualisierung und Berechnung. Form- und dickenoptimierte frei geformte Tragwerke sind möglich und können in vielen Bereichen des Bauwesens und der Technik im allgemeinen sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Sie erweitern die heutigen Möglichkeiten in Bezug auf preiswerte, qualitativ hochwertige Flächentragwerke und an sprechende Formen. Die Herstellung von freigeformten verlorenen Schalungen ist möglich und eröffnet völlig neue Möglichkeiten im Bereich der Formgebung von Bauwerken. Etli che neue Anwendungen könnten sich mit dieser Technik eröffnen.

Es muß weder eine aufwendige Schalung auf der Baustelle oder im Fertigteilwerk erstellt werden, noch sind Einschränkungen auf bestimmte pneumatisch bildbare Oberflächen geometrien mit speziell dafür zugeschnittenen Membranen notwendig, noch ist die Anzahl unterschiedlicher Fertigteile durch die Anzahl der dafür notwendigen Matrizen beschränkt.

Vielmehr kann jedes Element, das der Schaltisch herstellen soll, verschieden sein, weil der Schaltisch rechnergesteuert von Fertigteil zu Fertigteil schnell neu eingestellt werden kann.

Die Vorteile der Fertigteilbauweise werden voll ausgeschöpft. Dazu gehören hohe Qualität und Qualitätskontrolle, Witterungsunabhängigkeit, höhere Betonfestigkeiten bessere Nachbehandlung und die Reduzierung der Einflüsse von Kriechen und Schwinden im spä teren Bauwerk zusammen mit stark gesteigerter Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit. Der Zusammenbau auf der Baustelle aus Fertigteilen ist zeitsparend, kostengünstig und der Herstellung in Ortbeton vorzuziehen. Durch die Fertigteilbauweise kann der Baupro zess zeitlich entzerrt werden.

Vorrichtung und Verfahren sind nicht auf das Bauwesen beschränkt. Gerade bei Verwen dung von sehr leichten, zu formenden Materialien können die möglichen Krümmungsradi en und Verzerrungswinkel je nach Verfahren erheblich reduziert werden.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Am Anfang steht der Formfindungsprozess, sei er nun experimentell, mathematisch oder mit Hilfe von Formfindungsalgorithmen in Form von Programmen. Der Formfindungspro zess findet schon im Rechner statt oder Ergebnisse können in Form von Punktkoordinaten und Funktionen oder anderen Definitionen eingelesen werden. Das Bauteil wird analysiert, berechnet und konstruiert, wobei die Belange der Fertigung, des Transport, der Montage und des fertigen Bauteils berücksichtigt werden.

Nachdem eine für das Bauwerk geeignete beliebige Oberflächengeometrie gewählt wor den ist, kann das Bauteil programmtechnisch nach vorgegebenen Kriterien in Elemente eingeteilt und die Einstellung des Schaltisch und der Abstellung für jedes Element ermittelt werden. Dazu werden die Koordinaten des Elementes im Bauteil so gedreht, daß sie auf dem Schaltisch zu liegen kommen und die maximal möglichen Betonierneigungen und Verzerrungen der Schalhaut nicht überschritten werden. Die Geometriedaten werden auf die rechnergesteuerte Schalung übertragen und Fertigteile produziert. Hierbei ist zwi schen dem Aufbringen des Materials auf den ausgelenkten Schaltisch und dem Auftrag des Materials auf den nicht ausgelenkten Schaltisch mit anschließendem Verformen zu unterscheiden, woraus sich produktionstechnische Vorteile ergeben. Eventuelle Beweh rungen und Abstellungen können angebracht werden. Nach dem Erhärten werden die Ele mente vom Schaltisch genommen und an ihrem Bestimmungsort eingebaut.

Es sind mehrere Prinzipien zum Bau einer solchen Schalvorrichtung denkbar. Sie werden im Folgenden beschrieben.

Gitterroste

Die rechnergesteuerte Schalung kann aus einer flexiblen, in zwei Richtungen verkrümmbaren Schalhaut in der Größe der zu bauenden Elemente mit einer Unterkon struktion, die durch Verstellmittel rechnergesteuert in die gewünschte Oberflächengeo metrie verformt wird, bestehen. Physikalisch ist das doppelt gekrümmte Verformen sehr schwierig mit den zur Verfügung stehenden Materialien zu lösen. Die Lösung sind soge nannte Gitterroste. Das Prinzip ist einfach an der Funktionsweise eines Salatsiebes aus Stahldrahtgewebe zu verstehen. Diese Systeme besitzen Biegeverformbarkeit in beiden Flächenhauptrichtungen und die einzelnen Maschen verhalten sich schubweich in ihrer Ebene. Dennoch entsteht bei entsprechender Lagerung ein statisch bestimmtes System mit der Möglichkeit eine beliebige vorgegebene Oberflächengeometrie durch Verschie bung der Knotenpunkte des Gitterostes einzustellen. Die Schubsteifigkeit in der Ebene verhindert bei Platten im klassischen Sinn die doppelt gekrümmte Verformbarkeit in nen nenswerter Größe (z. B. ein Blatt Papier), ohne das die Biegesteifigkeit der Platte unak zeptabel niedrig ausfällt (z. B. Gummimembrane). Auf dem Prinzip des Gitterrostes lassen sich etliche im Detail verschiedene Lösungsansätze aufbauen.

Hyperbolisches Paraboloid

Eine häufig gebrauchte Formengruppe ist das parabolische Hyperboloid. Die meisten Freiformen können auf einfache Weise aus stückweise parabo lisch hyparboloid geformten Flächen angenähert werden. Eine Schalung für diese Anwen dung nützt die geraden Erzeugenden des hyperbolischen Paraboloides aus. Diese Vorge hensweise ist bekannt vom Schalenbau der Mitte des 20. Jahrhunderts, allerdings nicht in der unten beschriebenen Vorgehensweise.

Schüttgut

Eine andere Möglichkeit ist das Modellieren der Schalung aus einem schüttba ren Material. Dabei wird Material entsprechend der gewünschten Form rechnergesteuert modelliert. Nach dem Bau des Elementes kann eine neue Form aufgeschüttet werden.

Die Abmessungen der zu bauenden Elemente liegen insbesondere in den folgenden Grenzen: die Breite von 2,00 bis 4,00 m und die Länge vorzugsweise 3,00 bis 10,00 m.

Die Krümmungsradien und Verzerrungswinkel können in einem weiten Bereich in Abhän gigkeit von der verwendeten Schaltischkonstruktion und der Verarbeitbarkeit des zu for menden Materials variieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Gitterrost

Exemplarisch für die Verwendung des Gitterrostprinzips wird ein Schaltisch, bestehend aus einem Gitterrost aus Biegeträgern und einer Schal haut bestehend aus ei nem Stahldrahtnetz mit einer dünnen Membrane, beschrieben.

Es muß ein sinnvoller Kompromiß zwischen den Abständen der Verstellkonstruktionen 1, der Durchbiegung der Träger 2 unter dem Eigengewicht des zu formenden Materials 5 (z. B. Frischbeton) und der Trägerflexibilität gefunden werden. Der minimal zulässige Krümmungsradius bei elastischer Verformung der Träger 2 läßt sich aus der Streck spannung, dem E-Modul und der Querschnittshöhe berechnen. Dabei wird der Krüm mungsradius kleiner mit abnehmender Querschnittshöhe. Im Gegensatz dazu nimmt mit zunehmender Querschnittshöhe die Steifigkeit der Träger zu und unerwünschte Verfor mungen infolge des Frischbetoneigengewichtes nehmen ab. Da die Streckgrenze den ent scheidenden Einfluß auf die Flexibilität der Gitterstäbe bei konstanter Steifigkeit (EI) hat, kann die Flexibilität des entworfenen Schaltisches durch Stähle mit höherer Streckgrenze gesteigert werden. Der Gitterrost besteht aus Stahlrundquerschnitten 2, 9, 10, um gleiche Steifigkeiten in allen Richtungen zu gewährleisten.

Die Verbindung 8 der Gitterstäbe an den Gelenkknoten soll Steifigkeitssprünge vermei den und möglichst eine Verbindung in einer Ebene gewährleisten. An den Knoten 8 des Gitterrostes werden die rechnergesteuerten vertikalen Verstelleinrichtungen 1, 11 befe stigt. Jede Verstelleinrichtung (z. B. Spindel) wird von der Steuerungssoftware angesteuert und setzt die sich aus der gewünschten Geometrie ergebenden Auslenkungen exakt um.

Auf den Trägern wird ein feines Stahlgitternetz 13 befestigt. Es dient als Teil der Schal haut und soll die ausreichende Verzerrung und Biegesteifigkeit zur Erzielung der ge wünschten Oberflächenform zwischen den Gitterrostträgern gewährleisten. Wegen der kleinen Maschengröße kann eine dünne und dehnfähige Membrane 14 auf dem feinen Stahlgitternetz die endgültige Schalhaut bilden. Durch das Frischbetoneigengewicht wird sie so stark auf das Gitternetz gedrückt, daß sie nicht zwischen Frischbeton und Gitternetz gleiten kann, andere Möglichkeiten zur Fixierung (z. B. Verklebung) sind denkbar.

Auf der Schalhaut 3 (in der ebenen Neutralstellung 6) werden die beliebig anordbaren und verformbaren Abstellungen 4 befestigt und das Material (z. B. Frischbeton) 5 in der Ebene eingebracht. Danach werden die Verstellkonstruktionen 1 aus der neutralen Lage 6 in die gewünschte Position verstellt und verformen so Schaltischkonstruktion, Abstell ungen und das noch formbare Material. Anschließend härtet das Material aus. Der Vor gang ist beliebig wiederholbar.

Für die Abstellungen 4 sind verschiedene Konstruktionen denkbar, zum Beispiel weiche, schwere Gummiprofile, die den Verformungen der Membrane folgen können und durch ihr Eigengewicht in ihrer Lage gehalten werden.

Mit dieser Konfiguration lassen sich ein vernünftiger Kompromiß zwischen der Ober flächenqualität und der notwendigen Flexibilität des Schaltisches erreichen. Mit geringfügi ger Nachbehandlung kann die Oberflächenqualität bei Bedarf weiter gesteigert werden. Liegt die Schalung in der neutralen Lage 6 auf dem Boden 7 auf, ist das Begehen der Schalung und ein einfacher effizienter Betoniervorgang, mit Verfahren vergleichbar mit de nen des Schwarzdeckenbaus, möglich.

Bei der gelenkigen Verbindung der Gitterrostträger muß die Schwächung der Stäbe durch die Schraubverbindung 15 berücksichtigt werden. An dieser Stelle können unerwünschte plastische Erscheinungen bei Überbeanspruchung entstehen. Diese Schwachstelle reduziert im ungünstigen Fall den zulässigen Krümmungsradius. Sie ist aus diesen Grün den sehr sorgfältig zu konstruieren. Beispielhaft ist eine Verbindungsmöglichkeit in Fig. 2 gezeigt.

Die Abstände zwischen den Knotenpunkten 8 bleiben immer konstant, unabhängig von der eingestellten Geometrie. Die Knotenpunkte bilden auf der Oberfläche ein "äquidistan tes Netz". Dem muß bei der Berechnung der Auslenkungen der Knotenpunkte Rechnung getragen werden. Es ergeben sich dadurch Schrägstellungen der Verstellkonstruktionen. Dieser Sachverhalt bedeutet für die Schalhaut, daß nur Verzerrungen auftreten, keine Längsdehnungen.

Das Gitternetz 13 wird mit dünnem Stahldraht auf den Gitterrostträgern regelrecht aufge näht, das gewährleistet die frei Verdrehbarkeit ohne die beteiligten Querschnitte zu schwächen. Außerdem läßt sich die Schalhaut sehr kontinuierlich auf der Unterkon struktion befestigen.

Schwieriger ist die Umsetzung der Lagerbedingungen, um eine Kinematik der Spindel- Schalhautkonstruktion zu vermeiden. Es wird vorgeschlagen, Lagerachsen entlang der Rechteckhalbierenden zu befestigen. Damit soll erreicht werden, daß Verstelleinrich tungen entlang dieser Achsen nicht senkrecht zu diesen Achsen verschiebbar sind. Am Kreuzungspunkt der Lagerachsen ergibt sich eine horizontale Festhalterung in alle Rich tungen der dort befindlichen Spindel. Mit dieser Lagerung wird eine Kinematik des Ge samtsystems, bestehend aus den als Pendelstützen ausgebildeten Verstellkonstruktionen und dem Gitterrost, vermieden.

Exemplarisch wird vorgeschlagen Stahlbänder einzubauen, die an ihren Enden gehalten sind, und an den betreffenden Spindeln befestigt werden. Liegt der in allen Richtungen horizontal gehaltene Punkt in der Mitte der Schaltischfläche, wird das Aufsummieren der ebenen Verzerrungen in Richtung der Ecken minimiert.

Trägerrahmen mit Membrane

Auf einem Rahmen aus vier biegesteifen, gelenkig mitein ander verbundenen Trägern 16 wird eine Membrane 17 gespannt. Werden unter den Eckpunkten des Rahmens Verstellkonstruktionen 18 angeordnet, angesteuert und die Träger gegeneinander verwunden, bildet die Membrane 17 ein beliebig einstellbares hy perbolisches Paraboloid. Sind die Träger 16 steif genug, genügen Verstelleinrichtungen 18 an den Ecken der Träger. Der Rahmen 16 kann verzerrt werden, um die Form vielfalt zu erhöhen, allerdings muß dann die Membrane elastisch genug sein um straff zu bleiben, oder sie muß neu gespannt werden.

Auf der Membrane 17 (in der ebenen Neutralstellung) werden die beliebig anordbaren und verformbaren Abstellungen 18 befestigt und das Material (z. B. Frischbeton) 21 in der Ebene eingebracht. Danach werden die Verstellkonstruktionen aus der neutralen Lage 22 in die gewünschte Position verstellt und verformen so Membrane, Abstellungen und das noch formbare Material. Anschließend härtet das Material aus. Der Vorgang ist beliebig wiederholbar.

Für die Abstellungen 20 sind verschiedene Konstruktionen denkbar, zum Beispiel wei che, schwere Gummiprofile, die den Verformungen der Membrane folgen können und durch ihr Eigengewicht in ihrer Lage gehalten werden.

Die Durchbiegung der Membrane infolge des Materialeigengewichtes ist unter Umständen nicht zu vernachlässigen. Weil es sich in jedem Fall um eine translatorische Fläche mit ge raden Erzeugenden (Regelfläche) handelt, können parallel zu den Rahmenträgern 16 Streben 19 eingezogen werden. Die Membrane kann durch das Raster von gelenkig an dem Rahmen angeschlossenen Streben 19 geschützt werden. Sie kann auch durch einen leichten Innendruck (Luftdruck, Flüssigkeiten) in Höhe des Materialeigengewichtes, gerin gere Materialdicken oder höhere Vorspannung entlastet werden. Weil nur geringe Verzer rungen auftreten, können steife Membrane aus dickerem Gummi mit hoher Vorspannung verwendet werden.

Bei hoher Vorspannung werden die Randträger stark in ihrer Ebene auf Biegung bean sprucht. Die Streben 19 können die Biegebeanspruchung der Randträger 16 durch das Kurzschließen der Kräfte erheblich reduzieren.

Sandhügel

Sand oder ähnliches Schüttgut mit innerem Reibungswinkel wird in einem Be reich von der Größe der zu betonierenden Elemente aufgeschüttet 23 und dann mittels einer rechnergesteuert verbiegbaren Bohle 25 abgezogen. Als Bohle kommt ein mit rechnergesteuerten Stempeln 26 höhenverstellbarer Biegebalken zum Einsatz. Der Bal ken ist in Führungsschienen 28 fahrbar gelagert und zieht den Sand in Richtung 30 der Führungsschienen maßgenau ab. Zusätzlich kann das Schüttgut dabei auch verdichtet werden. Während der Überfahrt der Bohle ändert sich deren Form in Abhängigkeit von der Position auf der Überfahrtstrecke und beliebige Flächenformen können modeliert werden. Sinnvollerweise wird der entstandene geformte Sandhügel noch mit einer Folie oder ähnli chem abgedeckt, mit einer Abstellung versehen und dann kann das Element betoniert werden. Die Bohle, vorher zum Abziehen des Sandes verwendet, zieht in einem weiterem Übergang den Beton ab und stellt so die Dicke maßgenau an jeder Stelle ein. Vorteilhaft ist die einfache Wiederverwendung des Schüttgutes, der durch das Betonieren nicht be einflußt wird und nicht verschleißt.

Mit angefeuchteten Sanden könnte die Form unter Ausnutzung der entstehenden Kohäsion im Sand weiter stabilisiert werden oder größere Neigungen erreicht werden. Zu beach ten ist, daß relativ kleine Krümmungsradien geformt werden können.

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist, daß die technische Ausrüstung auf ein Minimum reduziert werden kann, weil eigentlich nur ein Abziehgerät oder eine Rüttelbohle zur Ein stellung der Geometrie notwendig ist. Dieses Gerät kann transportabel konstruiert werden, um auf der Baustelle die Fertigteile vor Ort herstellen zu können. Bei der Baustellen fertigung ist man unabhängig von den Einschränkungen der Bauteilgröße, weil Transporte über öffentliche Straßen und weite Transportwege vermieden werden.

Zeichnungen

Skizzenhafte Zeichnungen werden im Folgenden zum besseren Verstehen der Vorrich tung und des Verfahrens kurz beschrieben und beigelegt.

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Schaltisches nach dem Gitterrostprinzip. Zu beachten ist, daß die Abstände der Knotenpunkte 8 der Gitterrostträger aus zeichentechnischen Gründen nicht konstant sind und demzufolge die Spindeln 1 vertikal eingezeichnet sind. Dies entspricht nicht der Realität. Dennoch gibt die Skizze eine guten Eindruck vom Aufbau und der Funktionsweise solcher Schaltische. Die neutrale Lage 6 des Schaltisches ist gestrichelt eingezeich net.

Fig. 2: In dieser Skizze ist ein exemplarischer Gitterrostknotenpunkt als Detail darge stellt. Zu sehen ist der schematische Aufbau der Schalhaut aus einem Stahldrahtgitter 13 und einer darauf befestigten Gummimembrane 14.

Fig. 3: Ein Schaltisch basierend auf dem Prinzip des hyperbolischen Paraboloides.

Fig. 4: Schüttguthügel 23 geformt mit einer rechnergesteuerten, in Abhängigkeit vom Vorschub verformbaren Bohle 25. Die geformte Fläche 24 ist mit ge strichelten Linien dargestellt.

Literatur

Joedicke, J. (1962): Schalenbau Dokumente der modernen Architektur, Karl Krämer Verlag Stuttgart, Stuttgart 1962.
Ramm, E., et al. (1993): Shape Optimization of Shell Structures. IASS Bulletin of the international Association for Shell and Spatial Structures Vol. 34 (1993).
Sanchez-Arcas, M. (1961): Form und Bauweise der Schalen. Deutsche Bauakademie, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1961.
Sobek, W. (1987): Auf pneumatisch gestützten Schalungen hergestellte Betonschalungen. Aus den Arbeiten des Instituts für Massivbau, Verlag Ursula Sobek, Stuttgart 1987.

Claims

1. Schaltisch zur Herstellung von Bauteilen aus Werkstoffen, die in Formen erhärten, mit einer Schalhaut und einer Unterkonstruktion zur Stützung der Schalhaut, ge kennzeichnet durch zumindest eine Verstelleinrichtung, die der Schalhaut zugeord net ist und eine reversible Verformung der, insbesondere in zwei Richtungen verkrümmbaren, Schalhaut ermöglicht.

2. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Werkstoffen, die in Formen erhärten, mit den Schritten: Einbringen des Werkstoffes auf eine Schalhaut und Verformen der Schalhaut über zumindest eine Verstelleinrichtung, um eine beliebig vorgebbare Form zu erhalten.

3. Schaltisch nach Anspruch 1 für großformatige Elemente und Bauteile aus Werkstof fen, die in Formen erhärten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teilbereiche der Schalhaut und Unterkonstruktion mindestens einfachgekrümmt, aber insbeson dere doppeltgekrümmt, mit rechnergesteuert einstellbaren Verstelleinrichtungen ela stisch und oder reversibel verformbar sind und daß Grundgerüst, Unterkonstruktion Schalhaut und Einstellmittel zusammen bei eingestellter gewünschter freigeformter Oberfläche eine formstabile Schalung bilden, die ohne größere physikalische Ände rung der Komponenten sehr häufig auf neue Oberflächengeometrien angepaßt und wiederverwendet werden kann.

4. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Findung und Überwachung der Einstellung des Schaltisches und des Fertigungsprozeß insge samt im Rahmen eines integrierten rechnergesteuerten Entwurfs-, Formfindungs-, Berechnungs-, Konstruktions-, Steuerungs-, Kontroll- und Fertigungsprozeß erfolgt.

5. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fertigungspro zeß elementweise erfolgt und der Zusammenbau der Elemente getrennt, insbeson dere auf der Baustelle, zum Bauteil erfolgt.

6. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerungspro gram aus der vorgegebenen Oberflächengeometrie eine Einteilung in Elemente vor nimmt, diese durch geometrische Umformungen so bearbeitet, daß die Einstellung des Schaltisches unter Berücksichtigung der verfahrensbedingt zulässigen Neigun gen, Verkrümmungen und Verzerrungen, insbesondere durch Rotation, Translation und Variation der Oberflächengeometrie im Elementbereich, eingehalten werden.

7. Schalung nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerungs programm aus der vorgegebenen Oberflächengeometrie für die Einstellung des Schaltisches relevante Daten (durch das Verfahren, System oder anderem beding ter Kriterien ermittelt und eine besonders geartete Vernetzung der Oberfläche, ins besondere äquidistante Netze, unter Berücksichtigung der im Schaltisch vorhande nen Kinematik, zur Einstellung und Lagerung der Verstelleinrichtungen vornimmt.

8. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß spezielle konstruktive Maßnahmen getroffen werden, um die freie Verformbarkeit des Schaltisch zu ge währleisten, aber eine Kinematik der Vorrichtung zu vermeiden.

9. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu formende Material in der neutralen Lage des Schaltisches aufgebracht und dann zusammen mit dem Schaltisch verformt wird.

10. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalung in der neu tralen Lage zu Wartungszwecken und zur Unterstützung des Betoniervorganges auf einer Unterlage aufliegt.

11. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schalhaut flexible Abstellungen rechnergesteuert positioniert und befestigt werden, um den Abschluß der Elemente nach frei wählbaren Geometrien herzustellen und die Paßgenauigkeit unter den Elementen zu gewährleisten.

12. Schalung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstellungen in einer Weise ausgebildet werden, daß die kraftschlüssige Verbindung der Elemen te untereinander zum Bauteil, durch insbesondere Bewehrungen aller Art, ermög licht wird.

13. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bewehrungen jegli cher Art vor und während des gesamten Fertigungsprozesses eingebaut werden können.

14. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeig nete Betonierweise rechnergesteuert Dickenänderungen im Element und in damit in Bereichen des Bauteils möglich sind.

15. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verformen den Materialen lagenweise auf die Schalung aufgetragen werden, um durch das teil weise Aushärten der einzelnen Schichten vor dem Auftrag der folgenden Lage eine Versteifung der Schalung herbeizuführen.

16. Schalung nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche zu verformende Materialen lagenweise auf die Schalung aufgetragen werden, um den einzelnen Schichten besondere physikalische Eigenschaften zuzuweisen (Sandwichkonstruktion).

17. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalung kon struktiv so ausgelegt wird, daß eine Nachbehandlung zur Verbesserung der physika lischen Elementeigenschaften des erhärtenden Materials ermöglicht wird. Dies sind zum Beispiel bei Beton die Temperierung und/oder Feuchthaltung.

18. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterkonstruk tion und die Schalhaut aus Systemen von Biegeträgern besteht, die insbesondere in den Kreuzungspunkten besonders gehalten und gelagert sind, um die dehnungs freie doppeltgekrümmte Verformung des Schaltisch, insbesondere die Verbiegung und Verzerrung, zu gewährleisten (in ihrer Ebene verzerrbare Gitterroste nach dem Salatsiebprinzip, Gitternetze).

19. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalhaut aus verbieg- und verzerrbaren, feinen Gitternetzen besteht, die durch besondere Maß nahmen abgedichtet werden und die günstigen Eigenschaften des Gitternetzes bei behalten, insbesondere durch den Bezug mit einer elastischen Membrane oder den Einbau einer verzerrbaren, abdichtenden Substanz in das Gitternetz, um eine glatte, genaue und dichte Oberfläche zu schaffen.

20. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein System von mehreren miteinander verbundenen Lagen von Gitternetzen als Unterkonstruktion (Hauptträgerlage), Nebenträgerlage und Schalhaut verwendet werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Lasten aus dem zu verformenden Material und geringe Verformungen der Schalung zu erzielen.

21. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Oberflächengeometrie durch das Abziehen eines losen Materials, insbesondere Sand, mittels einer rechnergesteuerten, die Form erzeugenden Vorrichtung entsteht.

Die entstandene Form kann eventuell abgedeckt, befestigt und dann betoniert wer den.

22. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membrane auf einen verstellbar gelagerten Rahmen gespannt wird und die Membrane durch die Verstellung des Rahmens verformt wird, um insbesondere Oberflächengeometrien mit den Eigenschaften des hyperbolischen Paraboloides herzustellen.

23. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Formgenauigkeit Innendrücke, insbesondere Luftdruckgefälle, verwendet werden.

24. Schalung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mobile Kon zeption des Schaltisches zur Herstellung von Elementen vor Ort verwendet wird.