Institut für Tragwerksentwurf  |  FK3 Architektur Bauingenieurwesen Umweltwissenschaften   |  Technische Universität Braunschweig
 
 
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Die jüngsten Entwicklungen in der digitalen Planung und Fertigung, wie sie im Maschinenbau zu sehen sind, haben im Bauwesen bisher kaum Einzug gehalten. Das Denken ist immer noch vom Standard der industriellen Fertigung geprägt. Die aus Stahl und Holz produzierten Profile und Halbzeuge, ebenso wie die marktüblichen, meist geraden und ebenen Schalungssysteme für Betonbauteile, implizieren eine möglichst einfache Geometrie und Fügung. Demzufolge sind heutige Tragkonstruktionen meistens aus diesen geraden biegebeanspruchten, masseintensiven Bauteilen zusammengesetzt. Ausnahmen bilden die leichten formaktiven Tragwerke, wie sie von berühmten Ingenieuren und Architekten der Moderne (z. B. Luigi Nervi, Antonio Gaudí, Heinz Isler) entworfen wurden. Mit den heutigen rechnergestützten Möglichkeiten können zwar beliebige Freiformarchitekturen realisiert werden, diese besitzen aber trotz ihrer häufig organischen Formgebung meistens keine strukturelle Effizienz.

Da die Bauwirtschaft aufgrund ihres großen Materialbedarfs einen wesentlichen Beitrag zu einer ressourceneffizienten Produktion liefern kann, sollte zukünftig auf massenintensive Bauteile verzichtet werden und strukturelle Effizienz wieder in den Vordergrund rücken. Die Zusammenführung der neuesten Entwicklungen in den Bereichen der Materialtechnologien, besonders des ultrahochfesten Betons (UHPC) verknüpft mit den Möglichkeiten der digitalen Planung und Fertigung, ermöglichen effiziente Konstruktionen, welche dem Prinzip „form follows force“ folgen. Hierbei muss die zu entwickelnde materialsparende, architektonische Form in einem iterativen Prozess über das Wechselspiel von digitalem Entwurf und der Struktur- und Kraftflussberechnung gefunden werden .

Diese Herausforderung ist die Grundlage für die Forschungsarbeit im Teilprojekt des DFG-Schwerpunktprogramms 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ mit dem Thema „Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC“, das vom Institut für Tragwerksentwurf (ITE) in Kooperation mit dem Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig bearbeitet wird. Ziel des Vorhabens ist es, die neuesten Erkenntnisse im Bereich von UHPC mit den Möglichkeiten der CNC-gesteuerten Fertigungstechnik für Schalungsbau und Nachbearbeitung in einem „Digital Workflow“ zusammenzubringen, um somit innovative Leichtbaustrukturen aus Beton zu entwickeln.

Hierzu werden Einzelbauteile und Fügemechanismen aus UHPC entworfen, mittels FEM-Berechnung optimiert und durch Traglastversuche einzelner Probekörper überprüft. Die so ermittelten Grundlagen und „Workflow“ Prozesse bilden den Ausgangspunkt um zukünftig effiziente Trag- und Raumstrukturen erzeugen zu können.

Die bisher durchgeführten Untersuchungen und Versuche zeigen, dass die Umsetzung des Forschungsansatzes möglich ist, und die Vision von leichten struktureffizienten Bauteilen, bei denen nur dort Material verwendet wird, wo dieses auch zum Lastabtrag benötigt wird, realisierbar ist. So wird es möglich, vom klassischen Betonbau der Vergangenheit zur Filigranität und Leichtigkeit des Betonbaus der Zukunft zu gelangen.

Die Abbildungen zeigen die Entwicklung, Berechnung, Herstellung und Prüfung der grundlegenden Elemente und Fügemechanismen des entwickelten effizienten UHPC Stabtragwerkes. Hierzu gehört der Stabwerksknoten, welcher zur Kraftumlenkung dient und der Fügungsstoß, welcher die Segmentierung des Tragwerks in einzelne Bauteile ermöglicht. In Kombination mit rohrförmigen  UHPC Stäben und Vorspannelementen lässt sich so ein modulares kraftoptimiertes Stab- bzw. Raumtragwerk aus Betonteilen zusammensetzen, welches hohe Lasten bei einem geringem Materialaufwand abtragen kann.

Entwicklung der Fügungsstöße

DSC_0326 (Kopie)

Im rapid prototyping erzeugte Fügeprinzipien

Bild 7_Stoßserien

Verschiedene Geometrien zur Fügung von UHPC-Bauteilen

DSC_0049 (Kopie)

CNC gefräste Schalungen für die Herstellung der Fügungs-Versuchskörper

XO8A0945 (Kopie)

Aus UHPC hergestellte Fügungs-Versuchskörper

Bild 15_Max Schubspannungen (Kopie)

Maximale rechnerische Schubspannungen der FEM-Berechnung im vergleiche zum geprüften Fügungs-Versuchskörper zur Validierung der Rechenergebnisse

 

Entwicklung der Stabwerksknoten

Raumstrucktur aus Knoten

Raumstruktur aus Knotenelementen

Parametrische Knotenschar

Auswahl eines Knotens aus einer parametrischen Knotenschar

Bild 21_Polysyrol- Innenkern

Herstellung der Innen- und Außenschalung für einen Versuchsknoten

Bild 22_Betonierung des Knotens

Betonierung des Versuchsknotens

Bild 23_Ausschalen des Knotens

Fertiges Knotenelement aus UHPC

Bild24.Knoten_Versuchsaufbau

Versuchsaufbau zur Traglastprüfung des Knotenelementes aus UHPC