Membrankonstruktion für die Bambuskuppel

erstellt von Ema, David, Doro und Vera am 24.05.2004 im Rahmen des Bambusseminars 04, Lehrstuhl für Tragkonstruktionen - RWTH Aachen

Vorentwurf

In diesem Schritt erfolgte eine erste Form- und Ideenfindung, Kuppel und Membran zusammenzubringen. Mit dem dehnbaren Stoff wird noch sehr grob gearbeitet.

Idee 1
	Unsere erste Überlegung war es, eine Membran an den Eckpunkten des Dodekaeders zu befestigen. Die unteren Knotenpunkte liegen damit über Kopfhöhe (ca. 2,5m).
	Durch die festgelegten Knotenpunkte des Dodekaeders stellen sich automatisch die Hoch- und Tiefpunkte der Membran und die für ihre Stabilität erforderlichen gegenläufigen Krümmungen ein.
	Tragseil, Gegenspannseil
	Um die Ansammlung von Wasser auf der Membran zu vermeiden, entschlossen wir uns, das Element mit einem zentralen Loch (ca. 3-4m) zu versehen.
	Wir erweiterten das Loch auf einen größeren Durchmesser (ca. 7m), um die Bambuskuppel nicht zu verdecken und sie für den Besucher erlebbar zu lassen. Je größer allerdings das Loch, desto weniger Wetterschutz gibt es. Die Windangriffsfläche bleibt bei diesem Entwurf gering. Die Membran befindet sich unter einer Höhe von 8m, d.h. der Staudruck q beträgt nur 0,5 kN/m². Die Sogkräfte des Windes fallen hier stärker ins Gewicht als die Druckkräfte.

Idee 2
	Als nächstes gab es den Versuch, ein grosses rautenförmiges Segel in die Kuppel zu spannen. Es gab die Überlegung, die Membran nur an der Wetterseite zu spannen und die Befestigung sowohl am Isokaeder als auch am Dodekaeder erfolgen zu lassen.
	Hier sind die Windlasten (Druck) viel höher, da ein grosser Teil des Membranelements damit über der Höhe von 8m liegt. Man müsste die Konstruktion in diesem Fall flexibel auf- und abbaubar planen.

Idee 3
	Der Form am wenigsten nachempfunden ist die Idee, eine Membran frei in den Raum zu spannen. Der Wetterschutz ist gering, die Windangriffsfläche verhältnismässig groß.
	Die Membran ist an vier Punkten befestigt. Die Krümmungen sind deutlich zu erkennen.

Idee 4
	Hier versuchten wir erneut, eine rautenförmige Membran in der Kuppel zu spannen. Die obere Befestigung ist der Hochpunkt der Kuppel, die untere Befestigung befindet sich an einem der tiefsten Knotenpunkte der Kuppel. Durch das Überspannen der gesamten Höhe der Kuppel ist die Windangriffsfläche auch hier sehr hoch (Druck). Man müßte ebenfalls über flexible Befestigungsmöglichkeiten nachdenken.
	Die Raute folgt der Form der Kuppel und ist ausschließlich an den Knotenpunkten des Isokaeders befestigt (2 Dreiecke).
	Die Rautenform ist sehr variabel. Verschiedene Varianten (unterschiedliche Anzahl, Symmetrie oder Assymmetrie) sind denkbar.
	Waagerechte Rautenformen lassen sich mit senkrechten Elementen kombinieren. Es kommt allerdings zu Überlagerungen aufgrund der Symmetrie der Kuppel.

Enwurfsalternativen

In nächsten Schritt wurden zwei Alternativen weiter bearbeitet. Durch Verfeinerung der Modellbautechnik (Einnähen eines Fadens in die Randbereiche der Elemente, schnelle und flexible Befestigung mt Haken) stellen sich exaktere Formen ein.

Alternative 1: die Rauten
2 senkrechte Elemente, 1 waagerechtes Element
	Waagerechte Formen werden mit senkrechten kombiniert. Die Rauten lassen sich flexibel einsetzen.
	Diese Elemente hängen jetzt allerdings in großer Höhe, was sich auf die Windlastannahmen sehr negativ auswirken wird.
	Die Elemente überdecken zwar einen großen Bereich, verziehen sich aber an ihren Randbereichen so stark, dass sie in der Funktion eines Wetterschutzes nur sehr eingeschränkt funktionieren.
4 senkrechte Elemente
	Mit der Verwendung von 4 senkrechten Elementen läßt sich die Form der Kuppel gut nachzeichnen. Gleichzeitig wäre ein Haupteingang der Kuppel definiert.
5 senkrechte Elemente
	Durch die Befestigung von 5 gleichen Membranen zeichnet sich ein sehr symmetrisches Bild ab. Die Geometrie der Kuppel und ihre Konstruktion werden gut unterstrichen..
	Auffallend sind auch hier die starken Verformungen der Membranränder, wodurch einerseits die Konstruktion sichtbarer bleibt, andererseits ein Wetterschutz (höhstens Sonnenschutz) nicht gewährleistet ist.
1 senkrechtes Element, 2 waagerechte Elemente
	Wiederrum wird dasselbe Element auf zweierlei Art kombiniert. Es wird versucht den Bereich über Kopf zu schließen.
	Je mehr Elemente sich in großer Höhe befinden, desto ungünstiger wirkt sich diese Tatsache auf die anschließenden Berechnungen aus.

Berechnungen
Besonderes Augenmerk liegt bei der Berechnung auf der Annahme der Windlasten (insbesondere abhängig von der Höhe) sowie die daraus resultierenden Werte für die Auflagerkräfte. Diese werden im Rahmen dieser Alternative sehr groß, da die Rautenformen einerseits eine große Windangriffsfläche bieten, andererseits sich z.T. in großer Höhe befinden.	Letztendlich wird diese Alternative nicht durchführbar sein, da die Kräfte einfach zu groß sind!!!



Alternative 2: das Zehneck mit Loch
	Das mittige Loch erhält eine Größe von ca. 7m Durchmesser. Die gleichmäßige Rundung stellt sich automatisch ein. Die Außenränder der Membran verziehen sich nur geringfügig.
	Die Hoch- und Tiefpunkte der Zehnpunkt-Membran stellen sich sehr exakt und gleichmäßig ein.
	Durch das sehr groß gewählte Loch in der Mitte der Membran bleibt der Großteil der darüberliegenden Konstruktion sicht- und erlebbar. Ein Wetterschutz kann die Membran allerdings in dieser Form nicht sein.

Berechnungen
Durch Höhe und Lage der Membran ergeben sich wesentlich niedrigere Windlasten und Auflagerkräfte als bei Alternative 1. Die Zehnpunkt-Membran erzeugt nur ungefähr ein Viertel der Horizontallasten im Vergleich zu den Vierpunkt-Membranen.	Falls eine Membran nun tatsächlich realisiert werden sollte, könnte man diese Alternative weiterverfolgen!