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Form-driven design of bending-active tensile structures in architecture

  Link zum kostenlosen Volltext   

[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Biegeaktive, zugbeanspruchte Strukturen basieren auf dem wechselseitigen Zusammenwirken schlanker Balken, welche aktiv gebogen und mit Seilen oder Membranen vorgespannt werden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften stossen sie auf ein stetig wachsendes Interesse. Diese Strukturen sind geprägt von ausdrucksstarken gekrümmten Formen, ausserdem sind sie äusserst leicht und schnell zusammenbaubar, was die Realisierung innovativer kleiner und mittlerer Konstruktionen, wie temporäre Pavillons, ermöglicht. Ihre Gleichgewichtsgeometrie ist jedoch komplex und schwer vorhersehbar. Die derzeit verfügbaren Formfindungsmethoden für den Entwurf biegeaktiver, zugbeanspruchter Strukturen begrenzen allgemein den Einfluss des Entwerfers auf die endgültige Gleichgewichtsgeometrie, so dass der Entwurfsprozess nur bedingt kontrollierbar erscheint. Um diese Einschränkung zu überwinden und eine nahtlose Integration von architektonischem und tragwerkstechnischem Entwurf zu erreichen, stellt die vorliegende Forschung einen neuen Ansatz für den Entwurf biegeaktiver, zugbeanspruchter Strukturen in der Architektur vor. Der vorgeschlagene Ansatz erlaubt es, die biegeaktiven Balken direkt in ihrer Gleichgewichtsgeometrie zu definieren, wodurch der Entwerfer eine explizite Kontrolle über die globale Geometrie von biegeaktiven, zugbeanspruchten Strukturen erhält. Dies wird ermöglicht, indem das komplexe Problem der Formfindung von biegeaktiven, zugbeanspruchten Strukturen in einfachere Teilprobleme zerlegt wird und das Gleichgewicht für die biegeaktiven Balken und die vorgespannten Seile oder Seilnetze nacheinander erzeugt wird. Die Kontrolle der globalen Geometrie wird mit einer Doppelstrategie erreicht. Einerseits durch die Differenzierung der Biegesteifigkeit entlang der Balkenachse, andererseits durch die gezielte Kontrolle der Kräfte, die über die vorgespannten Seile auf die Balkenachse wirken. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein neuartiges Tragwerksmodell von schlanken Balken definiert, das auf einem vereinfachten mechanischen Modell und der Verwendung von Lage- und Kräfteplänen basiert. Dieses Modell erleichtert das Verständnis der Phänomene, die zur Erzeugung des statischen Gleichgewichts eines biegeaktiven Balkens in zwei Dimensionen wirken. Es ermöglicht somit die Kontrolle des statischen Gleichgewichts von einem geometrischen Standpunkt aus. Darüber hinaus wird ein formorientierter Entwurfsansatz formuliert und dessen unterschiedlichen Verfahren detailliert dargestellt. Das eingeführte Tragwerksmodell wird insbesondere zur Erzeugung des Gleichgewichts von biegeaktiven Balken verwendet, während verschiedene, speziell entwickelte grafische und numerische Methoden dazu dienen, das Gleichgewicht mit den verbindenden zugbeanspruchten Elementen zu untersuchen. Das Potenzial des Ansatzes wird schliesslich in einem realen architektonischen Kontext durch den Entwurf einer biegeaktiven, zugbeanspruchten Struktur für ein Sonnenschutzsystem einer verglasten Bürogebäudefassade vorgeführt.

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Forschungsberichte

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Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Thomas Oberndorfer, Frank Hunger, Oliver Fischer
Ultra High Performing Timber Walls - Einsatz von schlanken Lamellen aus ultrahochfestem Beton in Brettsperrholzelementen zur Steigerung der Tragfähigkeit
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3233
2021, 165 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei mehrgeschossigen Hochbauten ergeben sich vor allem in den unteren Etagen hohe Vertikallasten in den tragenden Wandscheiben. Durch die Kombination von ultrahochfestem Beton mit Holz soll ein nachhaltiger und hochleistungsfähiger Verbundwerkstoff geschaffen werden, der sich neben den allgemeinen Vorzügen von Holz insbesondere durch seine hohe und an die örtliche Belastung anpassbare Tragfähigkeit auszeichnet. Das Forschungsprojekt konnte zeigen, dass eine tragfähige Verklebung von ultrahochfestem Beton und Holz mit zugelassenen Klebstoffen, die in der Brettsperrholzproduktion üblich sind, hinsichtlich des Kurzzeittragverhaltens herstellbar sind.

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Wolfram Jäger, Hassan Youssef, Fabian Meyer
Faseranker und -nadeln (FaAnNa) - Einsatz von Ankern und Nadeln aus Faserwerkstoffen bei der Sanierung historischer Bauwerke
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3187
2020, 174 S., 163 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Verankerung und Vernadelung von Mauerwerk mit Stabstahl wird heute bei der Sanierung historischer Bauwerke häufig angewendet. Der Nachteil dabei ist, dass ein Korrosionsschutz bei schwarzem Stahl bzw. Edelstahl zum Einsatz kommen müssen. Verpressmörtel auf Zementbasis führen bei sulfathaltigem Mauerwerk zu Verträglichkeitsproblemen. Der Einsatz von Edelstahl ist mit hohen Kosten verbunden. Faserverstärkte Kunststoffe stellen hier eine Alternative dar. Mit dem Forschungsvorhaben sollten wesentliche Grundlagen für den Einsatz von Faserverbundbewehrung zur Verankerung und Vernadelung von historischem Mauerwerk erforscht und für die Praxis die entsprechenden Daten und Bemessungsalgorithmen bereitgestellt werden. Die Untersuchung wurde bei den wesentlichen Materialien, dem Faserverbundwerkstoff, dem Mauerwerk und dem Injektionsgut begonnen. Aus den Erkenntnissen zum Verhalten von unterschiedlichem historischem Mauerwerk ist das Anforderungsprofil an das Anker- und Nadelmaterial auf der Basis einer umfangreichen Werkstoffanalyse festgelegt worden. Im Anschluss an die theoretischen Untersuchungen sind experimentelle Untersuchungen angeschlossen worden. Die technologische Erprobung erfolgte an zwei konkreten Objekten in der Praxis, dem Schloss Steinort in Polen und der Sicherung des westlichen Iwans in der Weltkulturerbestätte Tahkt-e Soleyman im Iran.

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Jörg Lange, Alexander Engel
Tragfähigkeit von direkt befestigten Sandwichelementen unter zyklischer Beanspruchung. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3365
2019, 214 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Abminderung der Tragfähigkeit von direkten Befestigungen unter zyklischer Beanspruchung anhand eines umfangreichen Versuchsprogramms zu bestimmen und ggf. gegenüber der bisherigen Zulassungspraxis zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Durchknöpfversuche gemäß prEN 14509-2 an kleinformatigen Sandwichelementen verschiedener Hersteller, Kernmaterialien, Elementhöhen und Deckblechdicken sowie Schrauben verschiedener Hersteller am Mittel- und Endauflager durchgeführt und ausgewertet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Forschungsvorhabens, dass die zyklische Tragfähigkeit direkt befestigter Sandwichelemente von einer Vielzahl an Faktoren abhängt, die nicht ausreichend durch Versuche an Bügelproben abgebildet werden können. Die ermittelten zyklischen Abminderungsfaktoren unterscheiden sich hinsichtlich des verwendeten Kernmaterials und der Lage im Bauteil. Die Angabe eines pauschalen Abminderungsfaktors ist aufgrund der vielzähligen Einflüsse nicht zweckmäßig und unwirtschaftlich. Eine Differenzierung des Faktors wird empfohlen.

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Jaroslav Novak, Martin Heßler, Wolfgang Jehl, Norbert Sack
Fenstermontage in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk
Erarbeitung eines Leitfadens zur Befestigung von energieeffizienten Fenstern in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3087
2019, 166 S., 128 Abb. u. 88 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Um die Anforderungen an den gestiegenen Wärmeschutz von Wänden zu erfüllen, wurde die Wärmeleitfähigkeit von Ziegelmauerwerk in den letzten Jahren deutlich reduziert. Mit der entsprechenden Verbesserung der wärmetechnischen Eigenschaften ging jedoch gleichzeitig eine Reduzierung der mechanischen Festigkeiten einher. Zur Reduzierung des Wärmdurchgangskoeffizienten U von Fenstern und anderen transparenten Bauelementen wird der Einsatz von 3-fach Glas in Zukunft Standard werden. Der Trend des Transparenten Bauens führt zu Bauelementen und somit auch zu größeren Glasflächen. Die Anforderungen an den Komfort (z. B. Schallschutz) sowie an die Sicherheit (z. B. Einbruchhemmung) werden auch in Zukunft steigen. Hierdurch wird vermehrt Isolierglas mit Verbundscheiben eingesetzt werden. Durch diese Entwicklungen ergeben sich heute und auch in Zukunft deutlich höhere Gewichte von transparenten Bauelementen. Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung von praxisnahen Handlungsempfehlungen zur Fensterbefestigung in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk. Im Rahmen des Projektes sollten gesamtheitliche praxistaugliche Lösungen erarbeitet werden. Zur Erreichung der Ziele waren umfangreiche experimentelle Untersuchungen vorgesehen. Im Rahmen der Untersuchungen sollten die Belastungsgrenzen für Befestigungslösungen in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk herausgearbeitet werden sowie baupraktische Lösungsvorschläge erarbeitet werden, die auch spezielle Einbausituationen (z. B. untere Befestigung bei Hochlochziegeln) berücksichtigen. Die Erkenntnisse sollten sowohl durch Untersuchungen an Kleinproben, als auch durch komplette Bauteilversuche erarbeitet werden.

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Oliver Fischer, Roland Niedermeier, Sebastian Schmidt
Erarbeitung von materialspezifischen Widerstandskennwerten für die Verbundfugenbemessung von Stahlfaserspritzbetonergänzungen im Hinblick auf das nationale Anwendungsdokument zu DIN EN 14487 und DIN EN 14488. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3364
2019, 104 S., 45 Abb. u. 32 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen der Forschungsarbeit wird die Tragfähigkeit der Verbundfuge von unbewehrten Stahlfaserspritzbetonergänzungen experimentell sowie numerisch untersucht. Die Bewertung der Schubfestigkeit der unbewehrten Verbundfuge erfolgt durch kleinformatige Probekörper ohne Fugennormalspannung und mit Fugennormalspannung. Dabei wird der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, des Betonuntergrundes und des Fasergehaltes bei verschiedenen Rautiefen unter Verwendung von verschiedenen, praxisüblichen Spritzbetonmischungen untersucht. Des Weiteren werden die zwangsspannungsinduzierenden Schwindverformungen für unterschiedliche Spritzbetonmischungen ermittelt. Die statistische Auswertung der durchgeführten Kleinkörperversuche ohne Fugennormalspannung zeigt, dass bei der verwendeten Fasergeometrie mit den Bemessungsansätzen der Adhäsionstragfähigkeit nach (DIN EN 1992-1-1:2011-01) in Verbindung mit (DIN EN 1992-1-1/NA:2013-04) für Bauteile, die nachträglich mit Spritzbeton bzw. unbewehrten Stahlfaserspritzbeton ergänzt werden, unter sorgfältiger Nachbehandlung ein ausreichendes Sicherheitsniveau für Fugen der Rauheitskategorie rau, verzahnt und spritzrau erreicht wird.

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Zeitschriftenartikel

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Heuer, Andreas; Leber, Nikolas; Ottis, Pascal; Sobek, Frederic
CO2-Bilanzen in der Tragwerksplanung - vergleichende Untersuchungen an einem Gebäudekomplex mit Fertigteildecken
Beton- und Stahlbetonbau, 2023

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Raiyan, Eman; Khorgade, Prathamesh; Hückler, Alex; Schlaich, Mike
Nichtlineare Ermittlung der Spannungszunahme im CFK-Spannglied eines verbundlos vorgespannten Trägers (kostenlos)
Beton- und Stahlbetonbau, 2023

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Garbalinska, Katarzyna; Cech, Constantin; Ewert, Eric
Die Bestandsaufnahme als Grundlage der modellbasierten Bauzustandsbewertung. Eine Herangehensweise am Beispiel des Kulturspeichers Ollendorf
Bausubstanz, 2023

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Krinitzki, Christopher; Hartz, Christian; Baniseth, Fabio; Wehnert-Brigdar, Alexandra
Parametrische Tragwerksplanung und Optimierung in der Entwurfsphase am Beispiel der Talbrücke Bremecke. Digitale Planungsmethoden im Brückenbau
Bauingenieur, 2022

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Simon, Patrick; Helmrich, Marcel; Herrmann, Ralf; Schneider, Ronald; Baeßler, Matthias; Lorelli, Salvatore; Morgenthal, Guido
Maintalbrücke Gemünden: Bauwerksmonitoring und -identifikation aus einem Guss
Bautechnik, 2022

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