fhoch3

Entwicklung einer Fügekonstruktion für segmentierte Freiformschalen aus zementgebundenen Werkstoffen

Die Kernidee des Projekts fhoch3 war die Entwicklung tragwerksoptimierter, vorfertigbarer, transportabler und kraftschlüssig miteinander montierbarer Einzelsegmente für Betonschalen. Die gesamte Entwicklung fand hierbei digital statt. Nach Abschluss der Optimierungsprozesse aller Einzelanforderungen und der Definition eines durchgängigen digitalen Workflows wurde, auf Grundlage dessen, ein Prototyp mit 4,50 m Durchmesser errichtet.

Auf die im Betonbau übliche Verwendung von Halbzeugen wurde auch hier gesetzt. Materialoptimierte Faserbetonschalen wurden im Werk als Halbzeug vorfabriziert. Das dadurch bedingte geringere Gewicht ermöglichte eine deutliche Reduktion des Unterkonstruktions- und Schalungsaufwands im Werk, während des Transportes und auf der Baustelle.

Die „Trockenmontage“ der doppelt gekrümmten, dünnwandigen Halbfertigteile erfolgte durch die im Projekt entwickelten adaptiven, wiederverwendbaren Verbindungsmittel aus Stahl. Nach Auftragen und Aushärtung der Betondeckschicht auf der Baustelle ist die Gesamtkonstruktion schließlich selbsttragend.

Keywords: Beton, Faserverstärkter Beton, Doppelte Krümmung, Segmentierung, FE-Schnittstelle, Parametrisches Modell, Geometrieanalyse, geometriebasierte Teilung, gekrümmte Kanten, Prototyp, Versuche, Verbindungsmittel, Schale, Schalung, Digital

Ressourceneffizienz

Beton ist der Massenbaustoff unserer Zeit: preiswert, dauerhaft, feuerbeständig, flexibel in Form und Zusammensetzung. Statistisch wird ein Kubikmeter Beton pro Mensch und Jahr hergestellt. Diese nahezu inflationäre Anwendung des Baustoffs birgt jedoch mehrere Probleme.

So ist Schätzungen zu Folge die weltweite Betonproduktion für rund fünf Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Zudem werden Bestandteile wie verwertbare Sande und Kiese in enormen Mengen abgetragen und gehen kontinuierlich zur Neige. Beton ist also kein unendlich zur Verfügung stehender Baustoff.

Ein Ansatz zur signifikanten Reduktion des Betonverbrauchs ist die Herstellung materialeffizienterer Strukturen. Dabei ist die Gesamtgeometrie des Bauwerks und Tragwerks von entscheidender Bedeutung.

Das Stichwort hierbei ist Krümmung. Einfach gekrümmte Geometrien sind effizienter als planare und doppelt gekrümmte wiederrum effizienter als einfach gekrümmte, ein Prinzip, das uns die Natur täglich vor Augen führt. Doch Krümmung ist nicht gleich Krümmung, das richtige Maß, Wechselspiel zwischen konkav und konvex, sowie Anstieg, Neigung und weitere Faktoren sind für effiziente Formen entscheidend.

Projektansatz & Ziel

Der großmaßstäbliche Bau gekrümmter Strukturen aus Stahl- und Faserbeton ist bisher aufwendig und meist unwirtschaftlich in der Ausführung. Das Projekt fhoch3 setzte genau hier an. Ziel war es eine Methode zu entwickeln diese effizienten Geometrien in der Ausführung wirtschaftlicher zu machen, indem man den Schalungsaufwand, Stützmaterialen, sowie deren Logistik reduziert.

Um dies zu bewerkstelligen wurde ein Konzept entwickelt, indem die konventionell vor Ort gefertigte Betonschale - in ihrem Querschnitt - in zwei Ebenen zerlegt wird, eine untere, sogenannte Primär- und eine obere, sogenannte Sekundärschale.

Die Primärschale besteht dabei aus segmentierten und im Werk vorgefertigten Faserbetonelementen, die für den Montageprozess kraftschlüssig, mittels der im Projekt entwickelten, sogenannten Doppel-Kreuz-Verbinder (DKV), verbunden werden. Im komplett montierten Zustand dient sie der Sekundärschale, die in Form von Ortbeton alle Segmente miteinander verbindet und letztendlich die Schalentragwirkung herstellt, als verlorene Schalung, sowie im finalen Verbund als mittragender Teil der Gesamtschale.

Umsetzung

Neben materiellen und technischen Punkten, stellte das geometrische Konzept und die damit verbundene digitale Umsetzung eine der größten Herausforderungen dar, da ein Prozess entwickelt werden sollte, der für jedwede Schalengeometrie anwendbar ist.

So wurden im Laufe des Projekts unterschiedlichste Geometrien, Segmentierungen, Kantenausbildungen und Verbindungselemente entwickelt, analysiert, ausgewertet, kategorisiert und optimiert um ein breites Anwendungsspektrum abzudecken.

Die Untersuchungen orientierten sich dabei zunächst immer an ebenen, anschließend an einfach-gekrümmten und schlussendlich an doppelt-gekrümmten Formen, um sich nach und nach den komplex-geometrischen Herausforderungen anzunähern.

Als problematisch erwies sich dabei der abstrakte und nur schematisch darstellbare Begriff der Krümmung, was zum einen die Verständigung zwischen Planern und ausführenden Parteien erschwerte und zum anderen durch den spärlichen Informationsgehalt konventioneller Krümmungswerte die parametrische Bearbeitung limitierte. Um diesem Problem zu begegnen wurde im Rahmen des Projekts eine neue Verfahrensweise, die „Local-Estimated-Curvature“, entwickelt um komplexe Krümmungen, lokal, an Hand eines definierten Untersuchungsbereiches und der dazugehörigen Schalensegmenthöhe der lokalen Krümmungskugel, unidirektional, messbar und somit für jeden verständlich zu machen.

Auf Grundlage dessen wurde eine adaptive, krümmungsbasierte Segmentierung entwickelt, die die Gesamtgeometrie der Schale entsprechend der lokalen Krümmungseigenschaften, sowie logistischer Beschränkungen in maximal 2,50 m x 2,50 m große freigeformte Elemente mit doppelt gekrümmten Kanten und einer Materialstärke von 4 cm teilt.

Die segmentierte Geometrie wird im weiteren Arbeitsprozess, mittels einer ebenfalls im Rahmen des Projekts eigens entwickelten Schnittstelle. mit der FE-Software ausgetauscht, berechnet und gemeinsam mit den Rechenwerten in die 3D Software zurückgeführt und entsprechend modifiziert.

Letztendlich konnte so durch das Zusammentragen der gesammelten Einzelinformationen und Entwicklungen eine teilautomatische digitale Arbeitssequenz entwickelt werden, die den Projektinhalt auf jede Schalengeometrie übertragbar und anwendbar macht.

Versuche

Neben FE-Simulationen wurden die Standard- und zum Teil selbst hergestellten Verbindungselemente im Einbauzustand, im Hochschuleigenen Betonlabor, ebenfalls praktischen Versuchen unterzogen, die die berechneten Werte untermauern konnten und theoretisch einen Freivorbau von einem Segment zulassen würden.