Füge- und Entwurfsprinzipien für ebene und räumliche Stabtragsysteme aus formoptimierten filigranen Stäben aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Oliver Fischer
• Fachliche Zuordnung: Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257612823

Konstruktionen aus Beton weisen mit Ihrer gedrungenen Formgebung häufig Bereiche uneffektiver Materialausnutzung auf. Dies ist auf die stark erhöhten Kosten für Schalung und Rüstung bei geometrisch effizienterer Formgebung, vor allem aber auf fehlende allgemeine Optimierungsstrategien und Entwurfsprinzipien zurückzuführen. Die Substitution konventioneller Konstruktionen durch filigrane, stabartige Tragstrukturen, die sich konsequent am Kräftefluss orientieren, führen neben der Gewichtsreduktion und Ressourceneffizienz auch zu einer deutlich erhöhten Transparenz und Ästhetik. Durch die Kombination innovativer Werkstoffe (wie z.B. UHPC) und neuartiger Fertigungsverfahren bestehen mit vorteilhaften Konstruktionen - sowohl auf Systemebene (Anordnung von Knoten und Stäben im Raum) als auch auf Ebene der Komponenten (materialoptimierte Stäbe und effiziente Verbindungen) - mittlerweile Optimierungspotentiale, die neue Anwendungsbereiche für Betontragwerke mit korrosionsfreien und wartungsarmen Bauteilen höchster Dauerhaftigkeit eröffnen. Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es daher, allgemeine Ingenieurmodelle sowie optimierte Füge- und Entwurfsprinzipien für ebene und räumliche filigrane Stabtragwerke aus Beton zu entwickeln. Hierzu wird eine modulare Bauweise mit variabler - an den globalen geometrischen Randbedingungen und dem abzutragenden Lastkollektiv orientierter - Knotenanordnung angestrebt, bei der formoptimierte Einzelkomponenten aus Druckstäben, Zug- bzw. Wechselstäben und Verbindungsknotenelementen jeweils vorgefertigt und am Einsatzort zum Gesamtsystem zusammengefügt werden. In der ersten Förderperiode des DFG-Schwerpunktprogramms (2011 - 2014) wurden dazu im Teilprojekt (Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke) grundlegende Fragestellungen geklärt und Ingenieurmodelle zur Konzeption von materialoptimierten Druck- und vorgespannten Zugstäben entwickelt, die in UHPC ausgeführt und ausschließlich mit CFK-Elementen bewehrt bzw. vorgespannt werden. Darauf aufbauend konzentriert sich die Forschung in der zweiten Förderperiode (2014 - 2017) nun einerseits auf die Entwicklung geeigneter Verbindungselemente (Knoten) und Fügekonzepte, die eine effiziente Verbindung der entwickelten Stabtypen gewährleisten, andererseits aber vor allem auf die Herleitung von allgemeinen Entwurfsprinzipien auf Systemebene (räumliche Anordnung von Stäben und Knoten). Nach Abschluss des Vorhabens können damit wissenschaftlich abgesicherte Prinzipien bereitgestellt werden, die den Entwurf ressourcenminimierter ebener und räumlicher Stabtragsysteme aus Beton ermöglichen. Um deren Leistungsfähigkeit und die baupraktische Umsetzbarkeit zu verifizieren, ist im Rahmen des Vorhabens die Herstellung eines Demonstrators vorgesehen, in den sämtliche Ergebnisse und Erkenntnisse beider Förderperioden einfließen. An diesem Tragwerk wird auch die erzielte Systemduktilität experimentell überprüft.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1542: Leicht Bauen mit Beton - Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien