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Projekt
Modellreduktion und Substrukturtechnik am Beispiel von modularen Schalentragwerken aus ultrahochfestem Beton
Antragstellerin
Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
Fachliche Zuordnung
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Förderung
Förderung von 2014 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257611820
Schalentragwerke eignen sich besonders für die Erstellung leichter Bauwerke, da diese durch ihr günstiges Lastabtragungsverhalten im Membranspannungszustand vergleichsweise dünn und damit leicht ausgeführt werden können. Schalen findet man auch in der Natur, so dass im Rahmen der Bionik eine Orientierung an natürlichen Vorbildern möglich ist. Im Stahlbetonbau sind sowohl schlaff bewehrte als auch vorgespannte Schalen seit langem üblich. Die Herstellung monolithischer Schalen erfordert jedoch einen sehr hohen Aufwand an Rüstung und Schalung. Es wurden daher bereits Konzepte entwickelt, um Schalen aus Modulen zusammenzusetzen, die erst vor Ort miteinander kraftschlüssig verbunden werden. Dieses Modulkonzept eröffnet auch die Möglichkeit, mit fraktalen Strukturen zu arbeiten, da die Größe der Module z.B. in Abhängigkeit von der Krümmung der Schale variiert werden kann. Dieser Gedanke soll in diesem Projekt aufgegriffen und weiter entwickelt werden. Der Schwerpunkt der im Projekt zu leistenden Forschungsarbeit liegt dabei in der Bereitstellung geeigneter numerischer Verfahren zum Design und zur effizienten statischen und dynamischen Berechnung solcher Schalentragwerke. Es handelt sich hierbei um den Einsatz bereits vorliegender Substruktur- und Modellreduktionstechniken, die an das neue Aufgabenfeld anzupassen und mit nichtlinearen Finite-Elemente-Technologien zu verknüpfen sind. Der wesentliche und im vorliegenden Forschungsfeld bisher ungenutzte Vorteil der neuen Methodenkombination liegt in der Möglichkeit, das nichtlineare Verhalten der einzelnen Module mit nur sehr wenigen (in der Größenordnung von 3-5 inneren) Freiheitsgraden pro Modul zu berücksichtigen. Redundante Rechnungen an verschiedenen gleich geformten Elementen können vermieden werden. Damit lassen sich zum einen optimale Zusammensetzungen von Modulen für unterschiedliche Lastkombinationen schnell ermitteln. Zum anderen kann das ausgeprägt nichtlineare Verhalten von (ultrahochfestem) Beton, auch nach dem lastbedingten Öffnen der Zwischenfugen, berücksichtigt werden. Aufgrund der erwarteten Resttragfähigkeit handelt es sich hier um Strukturen mit hoher Duktilität. Das hier verfolgte Konzept sieht vor, einfach und doppelt gekrümmte Schalen aus ebenen Polygon-Modulen zusammen zu setzen. Die Verbindungsflächen zwischen den Modulen sollen senkrecht zur Modulebene liegen. Um die für gekrümmte Schalen notwendigen Winkel in der Verbindung zweier Module herzustellen, werden Zwischenstücke verwendet. Diese werden als Halbzeuge für verschiedene Winkel hergestellt und entsprechend der Kanten der Module auf Länge geschnitten. Die Verbindung der Module erfolgt durch zentrische Vorspannung ohne Verbund. Diese Fügetechnik ermöglicht den zerstörungsfreien Rückbau der Schale und damit eine Wiederverwendung der Bauteile. Somit bietet sich diese Bauweise insbesondere auch für fliegende Bauten an. Die einzelnen Teile können für neue Schalen mit völlig anderer Form genutzt werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
