Geodetische koepel

Achtergrond

Een geodetische bol is een rangschikking van veelhoeken die een echte bol benadert. Een geodetische koepel is een deel van een geodetische bol. Gebouwen of daken zijn opgebouwd uit geodetische koepels die variëren van 5-100% van een bol. Koepels die voor huizen worden gebruikt, zijn meestal reeksen driehoeken die drie of vijf achtste van een geodetische bol vormen.

Geodetische koepels zijn op verschillende manieren efficiënte constructies. De driehoek is een zeer stabiele vorm; een kracht die op de hoek van een rechthoek wordt uitgeoefend, kan deze bijvoorbeeld vervormen tot een parallellogram, maar dezelfde kracht zal een driehoek niet vervormen. Dit maakt geodetische koepelgebouwen zeer goed bestand tegen krachten als sneeuwbedekking, aardbevingen, wind en zelfs tornado's. Het oppervlak van een geodetische koepel is slechts 38% van het oppervlak van een doosvormig gebouw met hetzelfde vloeroppervlak. Er is minder oppervlakte blootgesteld aan schommelingen in de buitentemperatuur, waardoor het gebouw goedkoper te verwarmen en te koelen is dan een rechtlijnige constructie. Geodetische koepels kunnen snel worden gebouwd zonder zwaar materieel. Met behulp van geprefabriceerde componenten zijn er maar een paar mensen nodig om de koepel voor een huis van 185 vierkante meter in 10 uur of minder op te zetten.

Een geometrische koepel ondersteunt zichzelf zonder dat er interne kolommen of dragende binnenmuren nodig zijn. Deze eigenschap maakt dergelijke constructies aantrekkelijk voor gebruik als kerken, sportarena's en tentoonstellingshallen. De esthetische aantrekkingskracht van hoge plafonds maakt ze aantrekkelijk als huizen, en volledige of gedeeltelijke verdiepingen op de tweede verdieping kunnen gemakkelijk halverwege de behuizing worden opgehangen zonder enige andere ondersteuning dan bevestiging aan de koepel zelf.

Geschiedenis

In 1919, op zoek naar een manier om een ​​groter planetarium te bouwen, besloot de Duitse ingenieur Walter Bauersfeld om beweegbare projectoren in een stationaire koepel te monteren. Tot die tijd roteerden planetariumkoepels terwijl extern licht door gaten in de koepelschaal binnenkwam om sterren en planeten te simuleren. Dit beperkte de praktische grootte van de koepel en het aantal mensen dat erin kon. Bauersfelds concept van binnenprojectie zou werken in een veel grotere koepel. Het eerste geconstrueerde model was meer dan de helft van een bol; 52 voet (16 m) in diameter. Bauersfeld loste het probleem op hoe zo'n grote bol te construeren door deze te benaderen met een icosaëder (20-zijdige vaste stof met gelijke driehoekige vlakken) en elk vlak op te delen in kleinere driehoeken. Hij omlijst de driehoeken van bijna 3.500 dunne ijzeren staven. Om een ​​bolvormig omhulsel over dit frame te bouwen, richtte hij een bolvormige houten vorm in het frame op en sproeide op een pasta-achtig betonmengsel. De schaal was ontworpen om dezelfde proportionele dikte te hebben als die van een eierschaal in vergelijking met zijn diameter, een verhouding die later geschikt werd geacht voor geodetische koepels.

Dertig jaar later vond R. Buckminster Fuller, een Amerikaanse architect, ingenieur, dichter en filosoof, onafhankelijk een soortgelijk structureel systeem uit. Na de Tweede Wereldoorlog wilde Fuller betaalbare, efficiënte woningen ontwerpen die snel konden worden gebouwd van in massa geproduceerde componenten. Fuller was bereid om buiten de conventionele benaderingen te kijken en begon te werken met bolvormige vormen omdat ze een bepaalde ruimte omsluiten met een minimum aan oppervlakte. Hij omlijst eerst bollen met een netwerk van stroken die grote cirkels benaderen (cirkels op een bol met middelpunten die samenvallen met het middelpunt van de bol); de stroken vormden driehoeken terwijl ze elkaar kruisten. Hij noemde het product een geodetische koepel omdat grote cirkels bekend staan ​​als geodeten (van een Grieks woord dat aarde deelt). Uiteindelijk begon Fuller bollen te vormen van zeshoeken en vijfhoeken (zoals de panelen op een voetbal) en deze in driehoeken te verdelen voor sterkte en gemak van constructie.

In 1953 gebruikte Fuller zijn nieuwe systeem om de binnenplaats met een diameter van 28 m te bedekken, omringd door het hoofdkantoor van Ford Motor Company. Het gebouw was niet ontworpen om het grote gewicht van een traditionele koepel te dragen, maar de creatie van Fuller woog 95% minder. Hij voltooide het ontwerp en de constructie in slechts drie maanden. Een tijdelijke mast die in het midden van de binnenplaats was opgericht, ondersteunde de koepel tijdens de bouw en de constructie werd stapsgewijs verhoogd en geroteerd na voltooiing van elk nieuw gedeelte. Het frame bestond uit 12.000 aluminium stutten met een totaal gewicht van 3.750 lb (1.700 kg) die verbonden waren om driehoeken te vormen en vervolgens op hun plaats werden getild en vastgeklonken aan het groeiende frame. Toen de koepel voltooid was, werd deze voorzichtig neergelaten op steunen die op het bestaande gebouw waren geïnstalleerd. In elke driehoek werd een helder glasvezelpaneel geïnstalleerd om de koepel te voltooien.

In 1954 ontving Fuller een patent op geodetische koepels. Tijdens de jaren zestig en zeventig, een tijdperk waarin onconventionaliteit werd gewaardeerd, werden geometrische koepels populair als een goedkope manier voor milieubewuste mensen om hun eigen huis te bouwen. Instructies waren overal verkrijgbaar, maar de kwaliteit van de materialen (inclusief vreemde keuzes als papier-maché en afgedankte blikjes) en de vaardigheid van doe-het-zelfbouwers waren inconsistent. Door amateurs gebouwde koepels leken te lekken als het regende, onvoldoende gebruik van isolatie beperkte hun energie-efficiëntie en onvoldoende aantal dakramen maakte het interieur somber.

Fuller voorspelde dat er tegen het midden van de jaren tachtig een miljoen geodetische koepels zouden worden gebouwd, maar tegen het begin van de jaren negentig schatten schattingen het wereldwijde aantal ergens tussen de 50.000 en 300.000. Een klein maar hardnekkig contingent van onconventionele huizenbouwers blijft geodetische koepelwoningen bouwen, voornamelijk uit bouwpakketten. Echter, Newsday meldde in 1992 dat de meeste geodetische koepelconstructies zijn gebouwd voor kassen, opslagloodsen, verdedigingsschuilplaatsen en toeristische attracties. Een van de meest herkenbare hiervan is de bol met een diameter van 48 m in het Epcot Center van Walt Disney World. Gebouwd van composietpanelen van ethyleenplastic en aluminium in 1982, herbergt de structuur een rit genaamd Spaceship Earth, een door Fuller zelf bedacht.

Grondstoffen

Geodetische koepels variëren in grootte van de 460-ft (143 m) Poliedro de Caracas-sportarena in Venezuela tot tijdelijke onderkomens met een diameter van 15 ft (5 m) of minder. Bijgevolg variëren bouwmaterialen sterk. Eenvoudige, verplaatsbare constructies kunnen worden gemaakt van polyvinylchloride (PVC) buizen of gegalvaniseerde stalen leidingframes bedekt met plastic zeilen of parachutekappen. Grote, permanente constructies zoals arena's en fabrieken zijn gebouwd van materialen zoals aluminium en stalen frame stutten bedekt met aluminium, koper, structurele gips, acryl of plexiglas panelen.

De meeste fabrikanten van dome-kits voor woningen gebruiken houten componenten, voornamelijk in de oven gedroogde Douglas-sparren die zijn bedekt met 0,5-in (1,3-cm) exterieur- of structurele kwaliteit multiplex. Dergelijke kits bevatten verschillende ontwerpen van connectoren om de houten stutten stevig aan elkaar te bevestigen in de juiste configuratie; hoge sterkte aluminium of staal gecoat met zink, epoxy of industriële primer worden vaak gebruikt voor connectoren. Verzinkte stalen bouten bevestigen de connectoren en de panelen worden vastgespijkerd.

Een paar kitfabrikanten gebruiken alternatieve materialen om geprefabriceerde panelen te maken die het frame en de buitenbekleding combineren. Men maakt bijvoorbeeld gegoten glasvezelpanelen. Een ander levert panelen van gewapend beton; stalen gaas dat zich uitstrekt vanaf de paneelranden overlapt met gaas van het aangrenzende paneel en de verbinding wordt afgedicht met beton.

De meeste koepelkits worden bovenop betonnen funderingsplaten gebouwd. Vaak worden deze platen verzonken in de grond om een ​​souterrain te creëren. Funderingsmuren en opstaande wanden (verticale wanden onder de koepel die kunnen worden gebruikt om de totale hoogte te verhogen) zijn meestal gemaakt van beton of hout. Binnenisolatie algemeen: Een geodetische koepel bouwen. bestaat uit glasvezelvulling of opgespoten urethaan, cellulose of Icynene-kunststofschuim.

Ontwerp

Hoewel koepelwoningen zijn gebouwd van gefabriceerde kits, zijn ontwerpen flexibel. Maar liefst de helft van de driehoeken in de onderste rij van de koepel kan worden verwijderd zonder de structuur te verzwakken, dus deur- en raamopeningen kunnen er in overvloed zijn. Verticaalwandige uitbreidingen kunnen uit dergelijke openingen worden opgebouwd om het vloeroppervlak te vergroten. De koepel kan direct op grondniveaus zitten (korte muren verzonken in de grond om het gewicht van het gebouw te dragen), of het kan bovenop een opstaande muur worden geplaatst tot 8 ft (2,5 m) lang.

Er moet ruimte zijn tussen de binnen- en buitenmuren om isolatie mogelijk te maken. Sommige fabrikanten creëren deze ruimte door de stutten te maken van hout met een dikte van 4-8 inch (10-20 cm). Anderen maken deze ruimte 14,5-21 inch (37-53 cm) dik door samengestelde stutten te gebruiken die bestaan ​​uit twee stroken hout die zijn verbonden met multiplex hoekplaten.

Het fabricageproces

Het volgende is een samenstelling van technieken die door verschillende personen worden gebruikt met behulp van kits van verschillende fabrikanten.

De onderbouw

• 1 Na het vrijmaken en egaliseren van de thuislocatie wordt een greppel gegraven voor de funderingsvoet, volgens gedetailleerde tekeningen die zijn aangeleverd door de fabrikant van de kit. De basis van de koepel is niet cirkelvormig; het wordt eerder omlijnd door vijf korte wanden afgewisseld met vijf lange wanden (tweemaal de lengte van de korte wanden). Er worden formulieren geplaatst voor de fundering; veel bouwers gebruiken graag permanente piepschuimvormen die niet hoeven te worden verwijderd. Beton wordt vervolgens in de voetvormen gegoten.
• 2 Een laag zand kan worden gebruikt om het oppervlak verder te egaliseren en een basis te vormen voor de funderingsplaat. Stalen wapeningsstaven worden samengebonden in een raster en beton wordt gestort om de fundering te vormen.
• 3 Funderingsmuren worden bovenop de fundering gebouwd, tot ongeveer het maaiveld. Indien gewenst worden opstaande wanden (die als onderdeel van de kit worden geleverd) bovenop de funderingsmuren geïnstalleerd en aan elkaar vastgeschroefd.
• 4 Vloerbalken worden geïnstalleerd door houten planken van 2x12 (1,5x1,5 in [3,8x29,2]) met een onderlinge afstand van 40 cm boven de fundering te plaatsen. De balken zijn genageld aan een houten frame en een houten dwarsbalk. Driekwart inch (1,9 cm) dikke triplexplaten worden over de balken gelegd en op hun plaats genageld.

De bovenbouw

De bovenbouw bestaat typisch uit 60 driehoekige panelen. Afhankelijk van de gewenste grootte van de koepel, zijn de panelen meestal 1,8-3 m (6-10 ft) aan een kant. Ze kunnen worden geprefabriceerd met de buitenpanelen geïnstalleerd, of ze kunnen ter plaatse worden geconstrueerd uit voorgezaagd hout en metalen connectoren.

Als er koepelpanelen bij de set zijn geleverd, worden ze bovenop de fundering of opstaande wanden geplaatst en met elkaar verbonden in een door de fabrikant voorgeschreven volgorde. Totdat er voldoende panelen zijn verbonden om zichzelf te ondersteunen, moeten ze worden geschoord met palen die uitstralen vanuit een blok in het midden van de vloer. De volgende stappen beschrijven het meest voorkomende geval van montage van een frame gevolgd door installatie van een buitenpaneel:

• 5 Voetplaten worden bovenop de fundering of opstaande wanden geïnstalleerd. Deze nauwkeurig afgeschuinde houten stroken van 10 x 15 cm zorgen voor een overgang tussen de horizontale bovenrand van de muren en de licht gekantelde driehoeken van de onderste strook panelen van de koepel.
• 6 Passend bij de kleurcodering op de houten stutten en metalen connectoren van de kit, wordt een driehoek gevormd en vastgezet met bouten. De driehoek wordt op zijn plaats getild en vastgeschroefd aan de muur en/of aan de aangrenzende driehoeken. Opeenvolgende rijen driehoekige elementen worden geplaatst totdat de koepel volledig is gevormd. Vanwege hun lichte gewicht hebben de driehoeken geen extra versteviging nodig om ze tijdens de constructie op hun plaats te houden.
• In elke driehoek zijn 7 houten noppen genageld. Ze lopen loodrecht op één zijde van de driehoek en worden ongeveer 40 cm uit elkaar geplaatst. Als een oneven aantal noppen wordt gebruikt, wordt de middelste vastgezet tegen een loodrecht blok nabij het hoekpunt van de driehoek, in plaats van zich uit te strekken tot het hoekpunt.
• 8 Bijpassende kleurgecodeerde randen, de multiplexpanelen worden op hun plaats getild aan de buitenkant van elke driehoek en op hun plaats genageld. Door vanaf de bovenkant van de koepel naar beneden te werken, kan de arbeider op het open raamwerk eronder staan ​​terwijl hij elk paneel bevestigt.
• 9 Verticale wanden en daken worden ingelijst voor elke gewenste uitbreiding die vanaf de koepel naar buiten zal uitsteken. Multiplexpanelen worden aan de buitenzijden van de uitbreidingen genageld. Er kunnen ook dakkapel-uitbreidingen worden geplaatst voor ramen op de tweede verdieping.

Afwerking

• 10 Ramen, dakramen en buitendeuren zijn geïnstalleerd.
• 11 Het dak is bedekt met rubberfolie en er wordt conventioneel dakbedekkingsmateriaal (zoals shingles of dakpannen) aangebracht.
• 12 Conventioneel gevelbekledingsmateriaal (zoals stucwerk of vinyl gevelbeplating) wordt aangebracht op de buitenzijde van de opstaande wanden.
• 13 Isolatie wordt geplaatst tussen de stijlen en stijlen in de koepel en de aanbouwwanden.
• 14 Muren zijn omlijst om het interieur in kamers te verdelen. Conventionele gipsplaten worden gesneden volgens de patronen die in de set zitten en ze worden aan de binnenmuren en de binnenoppervlakken van de koepel en de stijgwanden genageld. Vanwege de vele hoeken tussen driehoekige delen van de koepel, huren amateurbouwers vaak een professional in om de gipsplaatverbindingen af ​​te plakken.

Kwaliteitscontrole

Een geodetische koepelstructuur van hoge kwaliteit is luchtdicht en structureel gezond. Dit zijn de factoren die de energiekosten verlagen, de belangrijkste overweging bij het bouwen van een geodetisch huis. Omdat de constructie in principe luchtdicht is, kan condensatie soms een probleem zijn. Normaal gesproken wordt het geregeld door het verwarmings- en koelsysteem, maar als het huis een paar dagen gesloten is geweest, kan er vocht ophopen. Dit is eenvoudig op te lossen door het luchtsysteem aan te zetten of een deur of raam te openen.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller werd geboren op 12 juli 1895 in Milton, Massachusetts. Hij ging in 1913 naar de universiteit van Harvard, maar werd twee jaar later van school gestuurd. In 1917 trouwde hij met Anne Hewlett en richtte een bouwbedrijf op. In 1923 vond Fuller de methode voor het leggen van palissaden uit:bakstenen met verticale gaten versterkt met beton. In 1927 ontwierp hij een in de fabriek geassembleerd Dymaxion-huis, een op zichzelf staande eenheid opgehangen aan een centrale mast met een compleet recyclingsysteem. Dymaxion was een term die hij gebruikte voor alles wat maximale output afleidt van minimale input. Fuller ontwierp in 1928 ook een Dymaxion-auto - een omnidirectioneel voertuig met minimale windweerstand. Dit voertuig bood plaats aan 12 personen, kon 180° draaien, liep gemakkelijk met een snelheid van 193 km/u en een gemiddelde van 12 km/gal. I) maar was niet winstgevend omdat autofabrikanten het niet massaal zouden produceren.

Fuller's financiële doorbraak kwam in 1940 met zijn Dymaxion Deployment Unit (DDUj, een cirkelvormige zelfgekoelde wooneenheid met taartvormige, gegolfde stalen kamers. De Britten gebruikten DDU's in de Tweede Wereldoorlog. In 1949 begon Fuller te werken aan geodetische Hij vroeg een patent aan in 1951 en kreeg in 1953 een contract van Ford Motor Company om een ​​koepel te bouwen boven de binnenplaats van hun hoofdkantoor in Detroit. Het Amerikaanse ministerie van Defensie werd de grootste klant van Fuller en gebruikte koepels als tijdelijke wooneenheden en om bescherm radarapparatuur tegen ruwe omgevingen.

Op het moment van zijn dood in 1983 werden de koepels van Fuller wereldwijd gebruikt. In 1985 werd fullereen ontdekt. Fullerenen zijn koolstofatomen gerangschikt in bolvormige vormen met vijfhoekige en zeshoekige vlakken, vergelijkbaar met geodetische koepels. Deze "bucky balls" hebben tot 980 koolstofatomen.

De Toekomst

Toekomstige verfijningen in de constructie van geodetische koepels kunnen afkomstig zijn van verbeterde bouwmaterialen. In 1997 ontwikkelde een fabrikant van betonblokken bijvoorbeeld een hol, afgeschuind, driehoekig blok met gekerfde randen die in elkaar konden grijpen met aangrenzende blokken. Met de juiste vorm zouden dergelijke blokken kunnen worden gebruikt om koepels te bouwen.

Een andere innovatie betreft het ontwerpen van koepels op basis van een ander wiskundig uitgangspunt. In een echte geodetische koepel zijn de randen van de driehoekige elementen uitgelijnd om grote cirkels te vormen. Hoewel niet geodetisch, maakt een nieuw ontwerp, gepatenteerd in 1989, gebruik van zeshoeken en vijfhoeken om koepels te vormen met een elliptische dwarsdoorsnede. Vanwege de wiskundige afleiding wordt dit ontwerp geotangent genoemd.

Hoewel geodetische koepels de sterkte maximaliseren en bouwmaterialen minimaliseren, bieden koepels met elliptisch profiel twee verschillende voordelen. Ze kunnen een cirkelvormig gebied bestrijken zonder zo hoog te stijgen als een bolvormige koepel. En ze kunnen langwerpige of onregelmatig gevormde gebieden bedekken die in hoogte variëren. Gelegen in het noorden van Mexico, 's werelds grootste industriële koepels zijn een paar fabrieksgebouwen bedekt met elliptische daken van 735 ft (224 m) lang en 260 ft (80 m) breed.