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Pneumatisches Verformen von ausgehärtetem Beton. Die Errichtung von Betonschalen aus ursprünglich ebenen Platten

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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]

Die Errichtung von freigeformten Betonschalen ist mit den momentan zur Verfügung stehenden konventionellen Bauverfahren sehr teuer. Ausschlaggebend dafür sind die hohen Kosten für zweifach gekrümmte Schalungen und die dafür erforderlichen Stützkonstruktion. Grundsätzlich haben Schalen den Vorteil, dass sich bei günstiger Wahl der Geometrie ein Membranspannungszustand einstellt und somit große Spannweiten ohne zusätzliche Vorsehung von Stützen gebaut werden können. In der Vergangenheit wurden bereits Schalen mit einem Spannweiten-Dicken (L/D) Verhältnis von bis zu 400 verwirklicht. Im Vergleich dazu können bei konventionellen Stahlbetonbalken bzw. Stahlbetondecken L/D Verhältnisse von 8-25 erreicht werden. Diese kumulative Dissertation besteht aus einem Einleitungskapitel und drei publizierten Fachaufsätzen. Darin wird ein neues Schalenbauverfahren vorgestellt, mit dem freigeformte Betonflächen mit geringerem Aufwand an Material und Arbeitszeit mit möglichst hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Die Idee ist, zweifach gekrümmte Schalen aus ebenen, ausgehärteten Betonplatten mit Hilfe von pneumatischer Schalung, pneumatischen Keilen und einer Vorspannung in Umfangsrichtung zu errichten. Das Einleitungskapitel beschreibt die Problemstellung, die Ziele der Arbeit, die Methodologie und den momentanen Wissenstand über Schalenbauverfahren. Zusätzlich wird auf den Formfindungsprozess, die Verfahrensoptimierung und die Wahl der Bewehrung eingegangen. Nach einer Zusammenfassung der drei Publikationen wird im letzten Abschnitt ein Resümee über die gesamte Arbeit gezogen und ein möglicher Ausblick auf eine erste Anwendung in der Praxis sowie weitere mögliche Forschungstätigkeiten gegeben. Zu Beginn der drei Aufsätze wird jeweils ein Überblick über den Stand der Technik und die aktuell in Entwicklung befindlichen Schalenbauverfahren gegeben. Der zweite Teil umfasst jeweils eine Erklärung der "Pneumatic Forming of Hardened Concrete" (PFHC) Baumethode. Im ersten Aufsatz Herstellung von Schalentragwerken aus Beton mit der "Pneumatic Wedge Method" - Ein neues Bauverfahren für den Bau von zweifach gekrümmten Betonflächen [1], wird die Durchführung von ersten Biegevorversuchen zur Ermittlung einer für die Anwendung passenden Beton-Bewehrungskombination beschrieben. Der Hauptteil umfasst die Durchführung, Berechnung und Auswertung eines Großversuchs an einer Kugelschale mit 50mm Dicke, 10.8m Durchmesser und 3.3m Höhe. Der zweite Aufsatz Application areas for pneumatic forming of hardened concrete [2], behandelt den Formfindungsprozess und die bei der Planung einzuhaltenden Randbedingungen bezüglich der mit dieser Baumethode herstellbaren Formen. Dabei werden analytisch beschreibbare Betonschalen sowie freigeformte Betonschalen analysiert. Anhand des durchgeführten Versuchsprogramms zur Errichtung der in Aufsatz 1 im Detail beschriebenen Versuchsschale wird die praktische Umsetzung erklärt. Anschließend wird der Hebeprozess von einer ebenen Platte zu einer zweifach gekrümmten Schale an allgemeinen Formen beschrieben und anhand von Berechnungen verifiziert. Im letzten Teil werden die Zusammenhänge zwischen der Dicke und der maximal aufnehmbaren Krümmung von bewehrten Betonplatten sowie die dabei auftretenden Kräfte beschrieben. Zusammenfassend werden mögliche Verbindungen der einzelnen Betonelemente im Endzustand sowie die dafür durchgeführten Fugenzugversuche behandelt. Zuletzt werden noch mögliche praktische Anwendungen vorgestellt. Die dritte Publikation Pneumatic forming of hardened concrete - building shells in the 21st century [3], stellt eine weitere Optimierung der verwendeten Beton-Bewehrungskombination mit Hilfe von Finite-Element-Berechnungen, zentrischen Zugversuchen, Vierpunkt-Biegeversuchen und Verbundversuchen vor. Der Hauptteil beschreibt die Durchführung eines Großversuchs zur Errichtung einer Freiformschale mit einer Dicke von 50mm, den Grundrissabmessungen von 17.6m mal 10.8m und einer Höhe von 2.9m. Dabei wird auf den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung sowie die erhaltenen Ergebnisse eingegangen. Im Detail werden der Verformungsprozess und die dabei auftretenden Risse und die Geometrieabweichungen der Endform analysiert. Abschließend werden mögliche Anwendungen durch Teilabbruch der im Großversuch hergestellten Freiformschale präsentiert.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Christian Heidenreich
Adaptivität von freigeformten Flächentragwerken
Bauhaus ifex research series, Band 2
Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz von Faserverbundstrukturen im Bauwesen
2017, 182 S., Abbildungen, 26 Tab. z.Tl. in Farbe. 24 cm, Softcover
VDG Verlag im Jonas Verlag

 

 

Adaptive Tragwerke können unter Anwendung von Smart Materials als materialsparende, filigrane Tragwerke ausgeführt werden. Die Erfüllung der Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit wird nicht allein über die Querschnittsabmessungen sichergestellt. Die notwendige Bauteilsteifigkeit kann vielmehr durch Eintragung von Aktivierungsenergie (Operational Energy) realisiert werden. Auf diese Weise kann die aufgrund der Bauteilabmessungen gebundene Energie (Embodied Energy) minimiert werden. Die entwickelte Entwurfsmethode ermöglicht die Auslegung und Optimierung materialminimierter Schalentragwerke in einem mehrstufigen Prozess. Hierbei werden aus tragwerksplanerischer Sicht die numerische Formfindung, die statische Berechnung und die Aktor- und Sensorpositionierung berechnet. Zudem werden Analysen hinsichtlich der Nachhaltigkeit auf Basis einer Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Aufgrund der unterschiedlichen, sich aber gegenseitig beeinflussenden Kriterien, ist eine Optimierung durchzuführen. In der Arbeit wird ein Ansatz zur Definition zulässiger Ökobilanzkennwerte von Smart Materials auf Basis der Energiedifferenz zwischen einer passiven und einer adaptiven Struktur vorgestellt. Anhand dieser Kennwerte kann die Entwicklung zukünftiger Smart Materials unter dem Aspekt der ganzheitlichen Nachhaltigkeit erfolgen. Die Allgemeingültigkeit und Übertragbarkeit der Entwurfsmethode auf weitere Tragsysteme im Bauwesen und speziell anderer Materialkonstellationen wird anhand verschiedener Beispiele aufgezeigt.

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Eike Lehmann, Leshan Zhang
Nichtlineares Verhalten von ausgesteiften Tragwerken
Mit schiffbaulichen, meerestechnischen und anlagetechnischen Beispielen
1997, ix, 278 S., IX, 278 S. 24,5 cm, Hardcover
Springer, Berlin

 

 

Nichtlineares Tragverhalten bei Schiffskonstruktionen läßt sich auf beliebige andere Metallkonstruktionen übertragen. Der Band behandelt das Tragverhalten von Balkentragwerken, ausgesteiften und nicht ausgesteiften Plattentragwerken sowie ausgewählten Schalenkonstruktionen, unter flächenhafter und Punktbelastung. Die Ergebnisse sind unmittelbar für die Bemessung metallischer Konstruktionen anzuwenden. Die Beispiele behandeln schiffbauliche, meeres- und anlagentechnische Anlagen.

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Forschungsberichte

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Stefan Schäfer, Alexander Pick
Entwicklung von planaren Ziegelfertigteilen für die Herstellung von weitspannenden Schalentragwerken
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3188
2020, 157 S., 206 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Schalentragwerke besitzen unter baukulturellen, tragkonstruktiven und ästhetischen Gesichtspunkten hohe Potentiale für das Bauwesen. Obwohl sie zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Konstruktionen aufweisen, kommen sie in der heutigen Architektur aufgrund hoher Kosten nur noch selten zur Anwendung. Die Relevanz des Forschungsthemas wird deutlich an dem geringen Anteil von Schalentragwerken an der Anzahl neuer Bauprojekte. Dies ist auf den hohen Ressourceneinsatz an Personal, Schalung und Unterkonstruktionen, wie z. B. Lehrgerüsten zurückzuführen. Um dieser Problematik entgegenzuwirken gilt es, den Anteil an Personal und Schalung zu reduzieren, Lehrgerüste zu vereinfachen und den Planungs-, Produktions- und Bauprozess zu vereinfachen. Unser Forschungsansatz sieht eine Methodik zur wirtschaftlichen Herstellung von mehrfach gekrümmten Ziegelschalen durch einfache, planare Bauteile vor. Ziel ist es, komplexe Bauwerke wie Schalentragwerke durch einen erhöhten Vorfertigungsgrad konkurrenzfähiger zu machen und damit die Diversität des Spektrums an Bauwerken dieser Art wieder zur erhöhen. Durch die Verlagerung eines Großteils der Arbeiten von der Baustelle in die Vorfertigung lässt sich diesem Problem entgegenwirken.

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Ingo Kurzhöfer
Bewertung von strukturellen und mathematischen Störstellen bei der numerischen Simulation von Kunststoffbauteilen. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3294
2013, 70 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Beim Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Baukonstruktionen aus Kunststoffen werden immer häufiger auch computergestützte Berechnungen z.B. mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) eingesetzt. Die FEM ist ein numerisches Verfahren, welches die Modellierung und Berechnung von Strukturen und Bauteilen zulässt, die nicht oder nur unzureichend durch analytische Berechnungsmodelle beschrieben werden können. Im Bereich der Kunststoffkonstruktionen liegt dies zum einen an den materialspezifischen Besonderheiten (z.B. viskoelastisches Verhalten) und zum anderen an der kennzeichnenden Fertigung (z.B. Rotations-formverfahren), die eine Vielfalt von Bauformen zulässt. Bei der numerischen Berechnung von Schalentragwerken aus Kunststoff treten an so genannten Störstellen, wie z.B. Singularitäten, Öffnungen, Einzelauflagerungen oder Stutzen, örtlich begrenzt stark erhöhte Werte in den bemessungsmaßgebenden Spannungen auf, die bewertet werden müssen. Dieser Anstieg in den Spannungen liegt an der gewählten Berechnungsmethodik und tritt in der Realität nicht auf. Das "Phänomen" der unrealistischen Spannungsspitzen bei FEM-Berechnungen an Störstellen ist bei Berechnungsingenieuren hinlänglich bekannt, jedoch mangelt es zurzeit an einer einheitlichen, technischen Regel zur Bewertung dieser markanten Regionen für Kunststoffbauteile. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurden die zu untersuchenden Störstellen in vier übergeordneten Gruppen klassifiziert. Zu jeder Gruppe lieferten erfahrene Berechnungsingenieure häufig in der Baupraxis vorkommende Beispiele, für die mit unterschiedlichen kommerziellen Berechnungsprogrammen Validierungsrechnungen durchgeführt wurden. Dieses Vorgehen gewährleistete die Vergleichbarkeit der erzielten Ergebnisse und spiegelte den großen Anteil der in der Praxis verwendeten Simulationstechniken wider. Die Berechnungsergebnisse wurden auf Plausibilität geprüft und untereinander verglichen. Dabei sind ausreichend repräsentative Berechnungsbeispiele und Ergebnisse zus

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Albrecht Burmeister, Ekkehard Ramm, Friedrich Wilhelm Bornscheuer
Traglastuntersuchungen an Kugelbehältern mit Stutzen und Formabweichungen unter Innendruck und Stutzenlängskraft
1989, 29 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Tragverhalten von Kugelschalen, die an einzelnen Stellen Abweichungen von der perfekten Geometrie aufweisen, wird unter Berücksichtigung geometrischer und materieller Nichtlinearität behandelt. Die wichtigsten Störzonen: Querschnittsänderung, eng beieinanderliegende Löcher und Stutzenverstärkung werden für Innendruckbelastung detailliert unterstucht. Für die Stutzenverstärkung wird aus numerischen Parameterstudien eine einfache Beziehung zwischen Geometrie und Traglast abgeleitet. Weiterhin wird die Stabilität der Kugelstutzenzone unter ins Kugelinnere gerichteten Längskräften untersucht. Neben numerischen Berechnungen mit der Methode der finiten Elemente werden Näherungslösungen aus der Literatur angewandt und bewertet. (-z-)

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Huba Oery, Norbert Ferlic, H.G. Reimerdes
Grosse Ausschnitte in langen Kreiszylinderschalen. 2.Fassung
1987, 243 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In der Forschungsarbeit wurde die Spannungsverteilung in durch grosse Oeffnungen gestoerten, duennwandigen Zylinderschalen mit Hilfe der Schalentheorie untersucht. Zur Berechnung dieser Spannungsverteilung wurde ein Verfahren auf der Basis der Halbbiegetheorie der Zylinderschale entwickelt, das mit Uebertragungsmatrizen arbeitet. Diese Methode ist hier einfacher als die FE-Methode; das Programm kann fuer Tischrechner programmiert werden. Es koennen Ring- und Laengsversteifungen beruecksichtigt werden. Durch eine Parametervariation wurden alle Einfluesse auf die Spannungsverteilung, wie Radius zu Wandstaerke, Oeffnungswinkel und -laenge, Lastverteilung und Versteifungsart, ermittelt. Aus den Ergebnissen wurde ein einfacher Bemessungsvorschlag (Diagramme und Tabellen) fuer Stahlschornsteine mit grossen Oeffnungen unter Beruecksichtigung der DAST 013 fuer verschiedene Versteifungsvarianten entwickelt. Zur Ueberpruefung des mathematischen Modells wurde ein Modellversuch an einer Zylinderschale mit grossen Oeffnungen durchgefuehrt. Die Spannungsverteilung wurde durch Dehnungsmessstreifen erfasst und mit der Theorie verglichen. Zur Erfassung des Verhaltens der unterschiedlichen Versteifungen (Stringer, Spante) wurden an sechs stahlbaumaessig erstellten Zylinderschalen stichprobenartig Traglastversuche durchgefuehrt und die Ergebnisse mit nach DAST 013 errechneten plastischen Beullasten verglichen. (car)

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G. Nonhoff
Stabilitaetsuntersuchungen an zylindrischen Behaeltern aus glasfaserverstaerktem Kunststoff unter Aussendruck
Bauforschung, Band T 248
1977, 88 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

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Zeitschriftenartikel

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Friedrich, Jan
Analysieren und exakt vorausbestimmen
Bauwelt, 2020

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Bollinger, Klaus; Grohmann, Manfred
Beton: Material und Formgebung in der Baupraxis
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Polónyi, Stefan; Bergmeister, Konrad; Curbach, Manfred
Ein Gespräch mit Stefan Polónyi
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Lichtblau, Georg; Wiegel, Nico; Herle, Ivo; Tintelnot, Götz
Baugrundverfestigung mit schnell abbindenden Reaktionspolymeren
Bautechnik, 2020

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Deppe, Dirk; Pick, Alexander
Komplexe Klinker - Entwicklung mehrfach gekrümmter Ziegelschalen durch planare Bauteile (kostenlos)
DBZ Deutsche Bauzeitschrift, 2020

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