Geodätische Kuppel

Eine geodätische Kuppel ist eine halbkugelförmige dünnschalige Struktur (Gitterschale) auf der Basis eines geodätischen Polyeders. Die dreieckigen Elemente der Kuppel sind strukturell starr und verteilen die strukturellen Spannungen in der gesamten Struktur, wodurch geodätische Kuppeln in der Lage sind, sehr schweren Lasten für ihre Größe standzuhalten.

Geschichte
Die erste Kuppel, die in jeder Hinsicht als „geodätisch“ bezeichnet werden konnte, wurde nach dem Ersten Weltkrieg von Walther Bauersfeld, Chefingenieur der Carl Zeiss Optik, für ein Planetarium entworfen, in dem sein Planetariumsprojektor untergebracht war. Eine erste, kleine Kuppel wurde von der Firma Dykerhoff und Wydmann auf dem Dach des Zeiss-Werkes in Jena patentiert. Eine größere Kuppel, „Das Wunder von Jena“ genannt, wurde im Juli 1926 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Rund 20 Jahre später nannte R. Buckminster Fuller die Kuppel „geodätisch“ aus Feldversuchen mit dem Künstler Kenneth Snelson am Black Mountain College in den Jahren 1948 und 1949 Obwohl Fuller nicht der ursprüngliche Erfinder war, wird ihm die amerikanische Popularisierung der Idee zugeschrieben, für die er am 29. Juni 1954 das US-Patent 2 682 235 erhielt.

Die geodätische Kuppel appellierte an Fuller, weil sie extrem stark für ihr Gewicht war, ihre „omnitriangulierte“ Oberfläche eine inhärent stabile Struktur lieferte und weil eine Kugel das größte Volumen für die kleinste Oberfläche umschließt.

Die Kuppel wurde erfolgreich für Spezialanwendungen eingesetzt, wie die 1956 in Kanada gebauten 21 Fern-Frühwarnmasten, die 1958 bei der Union Tank Car Company Kuppel in der Nähe von Baton Rouge, Louisiana, entworfen von Thomas C. Howard von Synergetics, Inc. und Spezialität Gebäude wie die Kaiser-Aluminium-Kuppeln (gebaut in zahlreichen Orten in den USA, z. B. Virginia Beach, Virginia), Auditorien, Wetterbeobachtungsstätten und Lagereinrichtungen. Die Kuppel brach bald die Rekorde für die bedeckte Oberfläche, das eingeschlossene Volumen und die Konstruktionsgeschwindigkeit.

Ab 1954 experimentierten die US-Marines mit Helikopter-lieferbaren geodätischen Kuppeln. Eine 30 Fuß hohe hölzerne und plastische geodätische Kuppel wurde angehoben und mit Helikopter bei 50 Knoten ohne Beschädigung getragen, was zur Herstellung einer Standardmagnesiumkuppel durch Magnesiumprodukte von Milwaukee führte. Die Tests beinhalteten Montagepraktiken, bei denen zuvor ungeschulte Marines in der Lage waren, einen 135 Meter langen Magnesiumdom zu bauen, Helikopter von Flugzeugträgern abhob und einen Dauerhaftigkeitstest, bei dem eine verankerte Kuppel erfolgreich einen Tag lang überlebte (190 km / h). h) Propellerstoß von den Doppel-3.000-PS-Motoren eines verankerten Flugzeugs ohne Schaden.

Die Kuppel wurde einem breiteren Publikum als Pavillon für die Weltausstellung 1964 in New York City von Thomas C. Howard von Synergetics, Inc. vorgestellt. Diese Kuppel wird jetzt als Voliere von der Queens Zoo in Flushing Meadows Corona Park danach verwendet wurde von TC Howard von Synergetics, Inc. neu gestaltet

Eine weitere Kuppel ist von der Expo 67 auf der Weltausstellung in Montreal, wo sie Teil des American Pavilion war. Die Überdachung der Struktur brannte später, aber die Struktur selbst steht noch und beherbergt heute unter dem Namen Biosphère ein interpretatives Museum über den Sankt-Lorenz-Strom.

In den 1970er Jahren lizenzierte Zomeworks Pläne für Strukturen, die auf anderen geometrischen Festkörpern wie den Festkörpern von Johnson, Archimedischen Festkörpern und katalanischen Festkörpern basieren. Diese Strukturen können einige Flächen haben, die nicht dreieckig sind und Quadrate oder andere Polygone sind.

1975 wurde am Südpol eine Kuppel errichtet, in der die Widerstandsfähigkeit gegen Schnee und Wind wichtig ist.

Am 1. Oktober 1982 wurde eine der berühmtesten geodätischen Kuppeln, Spaceship Earth im EPCOT Center in Walt Disney World (Bay Lake, Florida), eröffnet. Das Gebäude und die Fahrt darin sind mit einem von Buckminster Fullers berühmten Begriffen, Raumschiff Erde, benannt, einer Weltanschauung, die Besorgnis über die Nutzung begrenzter Ressourcen auf der Erde ausdrückt und jeden dazu ermutigt, als harmonische Crew zu arbeiten, die auf die Größeren hinarbeitet gut. Das Gebäude ist Epcots Ikone und ist auch im Logo des Parks enthalten.

Im Jahr 2000 wurde im chilenischen Patagonien das erste vollständig nachhaltige geodätische Kuppelhotel der Welt, das EcoCamp Patagonia, errichtet. Das Hotel wurde im Jahr 2001 eröffnet. Die Kuppel des Hotels ist der Schlüssel zum Widerstand gegen die starken Winde und basiert auf den Häusern der indigenen Kaweskar .

Methoden des Aufbaus
Holzkuppeln haben ein Loch in der Breite einer Strebe gebohrt. Ein Edelstahlband verriegelt das Loch der Strebe an einem Stahlrohr. Bei dieser Methode können die Streben auf die genau benötigte Länge zugeschnitten werden. Dreiecke aus Sperrholz werden dann an die Streben genagelt. Die Kuppel wird von unten nach oben mit mehreren gehefteten Schichten aus Teerpapier umwickelt, um Wasser abzulassen, und mit Schindeln abgeschlossen. Diese Art von Kuppel wird oft als Nabe-und-Streben-Kuppel bezeichnet, da Stahlnaben verwendet werden, um die Streben miteinander zu verbinden.

Paneelförmige Kuppeln sind aus getrennt gerahmten Balken mit Sperrholz bedeckt. Die drei Elemente, die den dreieckigen Rahmen umfassen, sind oft in zusammengesetzten Winkeln geschnitten, um für eine flache Anpassung der verschiedenen Dreiecke zu sorgen. An den Stellen werden Löcher durch die Elemente gebohrt und Stahlbolzen verbinden dann die Dreiecke, um die Kuppel zu bilden. Diese Elemente sind oft 2x4s oder 2x6s, wodurch mehr Isolation in das Dreieck passt. Die Paneel-Technik ermöglicht es dem Bauunternehmer, die Sperrholzhaut an den Dreiecken zu befestigen, während er sicher am Boden oder in einem bequemen Geschäft außerhalb des Wetters arbeitet. Diese Methode erfordert keine teuren Stahlnaben.

Temporäre Gewächshauskuppeln wurden konstruiert, indem Plastikfolien auf eine Kuppel geklammert wurden, die aus 1-Zoll-Quadratbalken aufgebaut war. Das Ergebnis ist warm, von Hand in Größen von weniger als 20 Fuß und billig zu bewegen. Es sollte auf den Boden abgesteckt werden, um zu verhindern, dass es vom Wind bewegt wird.

Stahlrahmen kann leicht aus elektrischen Leitungen hergestellt werden. Man glättet das Ende einer Strebe und bohrt die Schraubenlöcher in der benötigten Länge. Ein einzelner Bolzen sichert einen Scheitelpunkt. Die Muttern sind in der Regel mit abnehmbarer Verriegelung versehen, oder wenn die Kuppel tragbar ist, haben Sie eine Kronenmutter mit Splint. Dies ist der Standardweg, um Kuppeln für Klettergerüste zu bauen.

Kuppeln können auch mit einem leichten Aluminiumrahmen konstruiert werden, der entweder verschraubt oder zusammengeschweißt oder mit einer flexibleren Knotenpunkt / Nabenverbindung verbunden werden kann. Diese Kuppeln sind normalerweise mit Glas verkleidet, das mit einer PVC-Abdeckung gehalten wird. Die Kappe kann mit Silikon versiegelt werden, um sie wasserdicht zu machen. Bei einigen Konstruktionen können auch Doppelverglasungen oder isolierte Paneele im Rahmen befestigt werden. Dies ermöglicht die Bildung eines voll bewohnbaren Gebäudes.

Beton- und Schaumkunststoffkuppeln beginnen im Allgemeinen mit einer Stahlrahmenkuppel, die zur Verstärkung mit Maschendraht und Drahtsieb umwickelt ist. Der Maschendraht und der Schirm sind mit Kabelbindern am Rahmen befestigt. Eine Materialschicht wird dann auf den Rahmen gesprüht oder geformt. Tests sollten mit kleinen Quadraten durchgeführt werden, um die richtige Konsistenz von Beton oder Kunststoff zu erreichen. In der Regel sind mehrere Schichten innen und außen notwendig. Der letzte Schritt besteht darin, Beton- oder Polyesterdome mit einer dünnen Epoxidharzschicht zu sättigen, um Wasser zu entfernen.

Einige Betonkuppeln wurden aus vorgefertigten, vorgespannten Stahlbetonplatten gebaut, die festgeschraubt werden können. Die Schrauben befinden sich in erhabenen Behältern, die mit kleinen Betonkappen abgedeckt sind, um Wasser abzulassen. Die Dreiecke überlappen sich, um Wasser abzulassen. Die Dreiecke in dieser Methode können in Formen gemustert in Sand mit Holzmustern geformt werden, aber die Betondreiecke sind normalerweise so schwer, dass sie mit einem Kran platziert werden müssen. Diese Konstruktion ist gut für Kuppeln geeignet, da kein Ort Wasser auf dem Beton sammeln und durchlassen kann. Die Metallbefestigungen, Verbindungen und internen Stahlrahmen bleiben trocken und verhindern Frost- und Korrosionsschäden. Der Beton widersteht Sonne und Verwitterung. Zur Vermeidung von Zugerscheinungen muss eine Art von inneren Abdichtungen oder Verstemmungen über den Fugen angebracht werden. Der 1963 gebaute Cinerama Dome wurde aus vorgefertigten Betonsechsen und Fünfecken gebaut.

Angesichts der komplizierten Geometrie der geodätischen Kuppel verlassen sich Kuppelbauer auf Tabellen mit Strebenlängen oder „Akkordfaktoren“. In Geodätische Mathematik und Wie man es benutzt, schreibt Hugh Kenner: „Tabellen von Akkordfaktoren, die die wesentlichen Konstruktionsinformationen für sphärische Systeme enthalten, wurden viele Jahre lang wie militärische Geheimnisse bewacht. Noch im Jahr 1966 entstanden einige 3 Popular Science Monthly waren alle, die außerhalb des Kreises der Fuller Lizenznehmer weitermachen mussten. “ (Seite 57, Ausgabe 1976). Weitere Tabellen wurden mit der Veröffentlichung von Lloyd Kahns Dombook 1 (1970) und Dombook 2 (1971) verfügbar.

Dome Häuser
Fuller hoffte, dass die geodätische Kuppel helfen würde, die Wohnungsnotkrise nach dem Krieg anzugehen. Dies entsprach seinen früheren Hoffnungen für beide Versionen des Dymaxion House.

Geodätische Kuppeln im Wohnbereich waren weniger erfolgreich als jene, die für die Arbeit und / oder Unterhaltung verwendet wurden, hauptsächlich aufgrund ihrer Komplexität und der daraus resultierenden höheren Baukosten. Professionelle, erfahrene Dome-Auftragnehmer sind zwar schwer zu finden, existieren jedoch und können einen Großteil der Kostenüberschreitungen, die mit Fehlstarts und falschen Schätzungen verbunden sind, eliminieren. Fuller selbst lebte in einer geodätischen Kuppel in Carbondale, Illinois, an der Ecke von Forest und Cherry. Fuller dachte an Wohndome als luftlieferbare Produkte, die von einer luftfahrtähnlichen Industrie hergestellt werden. Fuller’s eigenes Domehaus existiert noch, das R. Buckminster Fuller und das Anne Hewlett Dome Home, und eine Gruppe namens RBF Dome NFP versucht die Kuppel zu restaurieren und sie als National Historic Landmark zu registrieren. Es ist im National Register of Historic Places.

1986 wurde American Ingenuity of Rockledge, Florida, ein Patent für eine Kuppelkonstruktionstechnik verliehen, bei der auf Stahlbeton laminierte Styropordreiecke und auf der Innenseite Wandplatten verwendet wurden. Die Konstruktionstechnik erlaubt es, die Kuppeln in Bausatzform vorzufertigen und von einem Hausbesitzer aufzustellen. Diese Methode macht die Nähte zu dem stärksten Teil der Struktur, wo die Nähte und insbesondere die Naben in den meisten Holzrahmenkuppeln der schwächste Punkt in der Struktur sind. Es hat auch den Vorteil, wasserdicht zu sein.

In Norwegen und Österreich entstehen bewohnbare geodätische Kuppelhäuser mit Aluminiumrahmen. Im Jahr 2012 wurde eine Aluminium- und Glaskuppel als Kuppelabdeckung für ein Öko-Haus in Norwegen verwendet und 2013 wurde in Österreich ein mit Glas und Holz verkleidetes Kuppelhaus gebaut.

In Chile werden Beispiele für geodätische Kuppeln für Hotelunterkünfte als geodätische Kuppeln im Zeltstil oder Glaskuppeln verwendet. Beispiele: EcoCamp Patagonia, Chile; und Elqui Domos, Chile.

Nachteile
Obwohl Domhäuser in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren eine Welle der Popularität erlebten, hat die Kuppel als Haltungssystem viele Nachteile und Probleme. Ein ehemaliger Befürworter von Kuppelhäusern, Lloyd Kahn, der zwei Bücher über sie schrieb (Domebook 1 und Domebook 2) und Shelter Publications gründete, wurde von ihnen desillusioniert und nannte sie „klug, aber nicht weise“. Er stellte die folgenden Nachteile fest, die er auf der Website seines Unternehmens aufgeführt hat: Baumaterialien (z. B. Sperrholz, Lattenrost) kommen normalerweise in rechteckigen Formen vor, daher muss nach dem Ausschneiden von Rechtecken bis hin zu Dreiecken möglicherweise etwas Material verschrottet werden , die Baukosten erhöhen. Feuerleiter sind problematisch; Codes erfordern sie für größere Strukturen, und sie sind teuer. Code-konforme Fenster können zwischen fünf- und fünfzehnmal so viel kosten wie Fenster in herkömmlichen Häusern. Professionelle elektrische Verkabelung kostet mehr wegen der erhöhten Arbeitszeit. Selbst in der Hand verdrahtete Situationen sind kostspielig, weil für den Kuppelaufbau mehr bestimmte Materialien benötigt werden. Expansion und Partitionierung ist ebenfalls schwierig. Kahn weist darauf hin, dass Kuppeln schwierig, wenn nicht gar unmöglich sind, mit natürlichen Materialien zu bauen, die im Allgemeinen Kunststoffe usw. erfordern, die bei Sonnenlicht verschmutzen und sich verschlechtern.

Die Luftschichtung und die Feuchtigkeitsverteilung innerhalb einer Kuppel sind ungewöhnlich. Die Bedingungen neigen dazu, Holzrahmen oder Innenverkleidungen schnell zu verschlechtern. Ein Unternehmen namens New Age Construction in Alabama behauptet, dass die Zugabe einer Kuppel die Feuchtigkeitskondensation beseitigt, die in Kuppeln üblich ist.

Datenschutz ist schwierig zu garantieren, da eine Kuppel schwierig zu partitionieren ist. Gerüche, Gerüche und sogar reflektiertes Licht tendieren dazu, durch die gesamte Struktur geleitet zu werden (aber in einigen Fällen kann dies vorteilhaft genutzt werden).

Wie bei jeder gekrümmten Form erzeugt die Kuppel Wandbereiche, die schwierig zu verwenden sein können und einige periphere Bodenflächen aufgrund von mangelnder Kopffreiheit nur eingeschränkt nutzen können. Kreisförmigen Grundrissen fehlt die einfache Modularität von Rechtecken. Einrichter und Installateure entwerfen flache Oberflächen. Wird beispielsweise ein Standardsofa gegen eine Außenwand gestellt, wird ein Halbmond hinter dem Sofa verschwendet.

Kuppelbauer, die Schnittholzplatten verwenden (üblich in den 1960er und 1970er Jahren), finden es wegen ihrer vielen Nähte schwierig, Kuppeln gegen Regen abzudichten. Außerdem können diese Nähte gestresst sein, da gewöhnliche Sonnenwärme jeden Tag die gesamte Struktur durchbiegt, wenn sich die Sonne über den Himmel bewegt. Das nachträgliche Hinzufügen von Gurten und flexiblen Trockenbau-Innenausstattungen hat diese Bewegung in den Innenausstattungen praktisch eliminiert.

Die effektivste Abdichtung mit einer Holzkuppel ist das Schuppen der Kuppel. Schirmspitzen am oberen Ende der Kuppel oder zur Modifikation der Kuppelformen werden dort eingesetzt, wo die Neigung für eine Eissperre nicht ausreicht. Es sind auch einteilige Stahlbeton- oder Kunststoffkuppeln im Einsatz, und einige Kuppeln wurden aus Dreiecken aus Kunststoff oder gewachstem Karton konstruiert, die so überlappend angeordnet sind, dass sie Wasser abgeben.

Der ehemalige Schüler von Buckminster Fuller, J. Baldwin, besteht darauf, dass es keinen Grund gibt, dass eine richtig konstruierte, gut konstruierte Kuppel undicht ist und dass einige Designs nicht auslaufen können.

Verwandte Muster
Das Bauen von starken, stabilen Strukturen aus Mustern von Verstärkungsdreiecken wird am häufigsten im Zeltdesign gesehen. Es wurde im abstrakten Industriedesign, aber auch in der Managementwissenschaft und deliberativen Strukturen als konzeptuelle Metapher, insbesondere in der Arbeit von Stafford Beer, dessen „Transmigrations“ -Methode so spezifisch auf Kuppeldesign basiert, dass nur feste Zahlen von Menschen können in jeder Beratungsphase an dem Prozess teilnehmen.

Größte geodätische Kuppelstrukturen
Viele geodätische Kuppeln gehören zu den größten Spannweitenstrukturen der Welt. Laut Buckminster Fuller Institute im Jahr 2010 sind die 10 größten geodätischen Kuppeln der Welt nach Durchmesser:

Seagaia Ocean Dome (USA): Miyazaki, Japan (31.9551 ° N 131.4691 ° O), 216.5 m (710 ft) – Abgerissen im Jahr 2017.
Nagoya Dome (Japan): Nagoya, Japan (35.1859 ° N 136.9474 ° O), 187.2 m (614 ft)
Superior Dome: Northern Michigan Universität. Marquette, Michigan, USA (46,5603 ° N 87,3938 ° W), 163,4 m (536 ft)
Tacoma Dome: Tacoma, Washington, USA (47,2367 ° N 122,4270 ° W), 161,5 m (530 ft)
Walkup Skydome: Northern Arizona University. Flagstaff, Arizona, USA (35,1805 ° N 111,6529 ° W), 153 m (502 ft)
Round Valley Ensphere: Springerville-Eagar, Arizona, USA (34,1204 ° N 109,2849 ° W), 134 m (440 ft)
Ehemaliger Spruce Goose Hangar: Long Beach, Kalifornien, USA (33.7513 ° N 118.1889 ° W), 126 m (413 ft) – Jetzt im Besitz der Carnival Cruise Line.
Formosa Plastics Storage: Mailiao, Taiwan (23.791 ° N 120.1840 ° O), 122 m (400 ft) – Sechs Kuppeln.
Union Tankwartungsanlage: Baton Rouge, Louisiana, USA (30.5827 ° N 91.2344 ° W), 117 m (384 Fuß) – Abriss im Jahr 2007.
Lehigh Portland Cement Storage Anlage: Union Bridge, Maryland, USA (39.5590 ° N 77.1718 ° W), 114 m (374 ft)

Eine andere große Kuppel in Venezuela wurde auf der ursprünglichen Liste des Fuller-Instituts verpasst, während zwei andere, die später gebaut wurden, ebenfalls in den Top 10 sind. Derzeit sind mehrere geodätische Kuppeln größer als 113 m im Durchmesser.
Poliedro de Caracas (Caracas Polyeder Arena), Caracas, Venezuela (10.4338 ° N 66.9385 ° W), 143 m (469 ft)
San Cristóbal Mine (MSC) Kuppel, Gemeinde Colcha „K“, Bolivien (21.1246 ° S 67.2096 ° W), 140 m (460 ft)
Ruwais Refinery Dome, Ruwais, Vereinigte Arabische Emirate (24.1459 ° N 52.7392 ° O), 135 m (443 ft)