Abstract
Die geometrische Komplexität von freigeformten Flächentragwerken in der
gegenwärtigen Architektur lässt sich kaum noch wirtschaftlich umsetzen. Die
Realisierung ist mit hohen Fertigungs- und Planungskosten verbunden und
daher nur wenigen Bauvorhaben vorbehalten. Die herkömmlichen Bautechniken,
Bauweisen, Materialien und Planungsprozesse sind Ursache für die
hohen Kosten. Faserverstärkte Kunststoffe, automatisierte Fertigungsverfahren
und digitale Planungsmöglichkeiten scheinen ein hohes Potential zu besitzen,
dieser Problematik entgegenzuwirken.
In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Flächenverbundbauweise, bestehend
aus einer verlorenen karbonfaserverstärkten Kunststoffschalung (CFK)
und Beton, vorgestellt, die es ermöglicht freigeformte Flächentragwerke effizienter
umzusetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Tragverhaltens,
der Herstellung der freigeformten verlorenen Schalung und der
Planung der Bauweise.
Die ermittelten mechanischen Eigenschaften der entwickelten kraftschlüssigen Verbindung zwischen Schalung und Beton zeigen, dass auf eine Stahlzugbewehrung
verzichtet werden kann. Dies erlaubt es einerseits aufwendige Bewehrungsarbeiten zu vermeiden und andererseits die Schalendicke zu verringern.
Die Korrosionsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der CFK-Verbundschalung
ermöglicht es dabei, die Bauteile mit einem schlankeren Querschnitt auszuführen.
Die Herstellung der Verbundschalung erfolgt durch einen neuen Ansatz in der Faserwickeltechnik. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der geometrischen Ausbildung des Wickelkerns und der Simulation des Wickelvorgangs
mittels computergestützter Berechnungsverfahren. Die Integration von zusätzlichen Fertigungsschritten ermöglicht ein Verfahren, das es erlaubt, freigeformte flächige Bauteile zu fertigen. Das Faserwickelverfahren beschränkt sich bisher auf die Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Querschnittsformen. Die Vorteile des klassischen Verfahrens, wie hoher Faservolumengehalt, geringe Fertigungskosten, kurze Prozesszeiten und hohe Ausführungsqualität, sind dabei weiterhin gegeben.
Aufgrund der festgestellten starken Wechselwirkung bei der Planung von Geometrie, Tragwerk und Fertigung, ist für die entwickelte Bauweise eine üblicherweise getrennte und in Reihe geschaltete Bearbeitung der Planungsaufgaben nicht zielführend. Um die Vorteile der Flächenverbundbauweise voll auszuschöpfen, wird in dieser Arbeit abschließend eine integrative Planungs- und Optimierungsstrategie vorgestellt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften von Geometrie, Herstellung und Tragverhalten in ein optimales Verhältnis zu bringen. Die verfolgte Strategie führt zusätzlich zu einer Verkürzung der Planungszeit, einer Reduzierung der Kosten für Planung und
Fertigung, sowie einer ästhetischen und ressourcenschonenden Konstruktion.
Zur Bestimmung der optimalen Lösung wird ein stochastisches, metaheuristisches
Optimierungsverfahren entwickelt, dessen Funktionsweise auf der Nahrungssuche
der E-Coli Bakterien beruht.
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