Zur effizienten Fertigung gekrümmter Freiformschalen mit großen Abmessungen wurde ein neuer konstruktiv-technologischer Lösungsansatz in Form eines flexibel formbaren, mehrschichtigen Schalungssystems aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) erarbeitet. Diese GFK-Schalungselemente gestatten unter Ausnutzung ihres anisotropiebedingten Strukturverhaltens eine gezielte Einstellung von definierten Krümmungszuständen. In umfassenden Untersuchungen zum Systemaufbau der entwickelten GFK-Schalungen und Beton-Leichtbauelemente mit stabilisierten Abstandsgewirken wurden repräsentative, gekrümmte Freiformflächen mit verschiedenen Krümmungsradien entworfen, numerisch berechnet, hergestellt sowie die Konturengenauigkeit und die belastungsgerechte Integration der Gewirke verifiziert.

Bei modernen Massivbauwerken werden zunehmend geneigte Betonbauteile als Gestaltungselement verwendet. Schalungssysteme für derartige Betonbauteile werden oftmals als Unikate für den einmaligen Anwendungsfall hergestellt und können häufig nicht wiederverwendet werden. Daher war das maßgebliche Ziel des Forschungsvorhabens Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile, Schalungssysteme zu entwickeln, die freie Formen annehmen und die wiederverwendet werden können. Hinsichtlich der Dimensionierung von doppelhäuptigen Schalungssystemen stellt der Frischbetondruck die maßgebliche Einwirkung dar. Die existierende Norm zum Frischbetondruck DIN 18218 enthält bisher keine Angaben für geneigte Schalungen. Daher wird in der Baupraxis bei geneigten Schalungen oftmals der hydrostatische Frischbetondruck angesetzt, was u. U. zu einer Überdimensionierung des Schalungssystems bzw. zu einer unnötigen Verringerung der zulässigen Betoniergeschwindigkeit und somit zu einer längeren Herstellzeit führt. Im nachfolgenden Beitrag werden experimentelle und analytische Untersuchungen zum Frischbetondruck bei frei geformten Schalungssystemen vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Frischbetondruck bei geneigten Schalungen mit konstanter Bauteildicke kleiner ausfällt als bei lotrechten Schalungen.

Für die Herstellung von Schalungen für Betonbauteile, die sowohl gekrümmte als auch unstetige Oberflächen aufweisen, stellt das Fräsen einer Schalungsgeometrie eine Methode mit höchster Präzision dar, die jedoch mit großem Arbeits- und Ressourcenaufwand verbunden ist. Im vorliegenden Artikel wird eine Schalungsmethode beschrieben, mit der das Problem des hohen Ressourcenaufwands von gefrästen Schalungen durch die Auswahl eines wiederverwendbaren Schalungsmaterials umgangen wird. Vertieft wird die Erprobung dieser Methode mit den Schalungsmaterialien Sand und Ton beschrieben.

Es wird ein neues Konzept vorgestellt, welches den Entwurf, die Berechnung und die Optimierung von Schalen aus Betonfertigbauteilen vereinfachen soll. Für das Konzept wird die neu entwickelte isogeometrische B-Rep-Analyse (IBRA) verwendet, welche für die Geometriebeschreibung ausschließlich Computer-Aided-Design-Parameter (CAD-Parameter) verwendet. Somit kann der gesamte Entwicklungsprozess der Schale, vom Entwurf bis zur Optimierung, in einem CAD-Programm durchgeführt werden.

Parabolrinnenkraftwerke gehören zu den wirtschaftlichsten Varianten der solarthermischen Kraftwerke. Bisher bestehen diese aus Stahlfachwerken mit aufgelagerten Spiegelelementen zur Strahlenkonzentration. Diese Trennung von Trag- und Reflektorstruktur soll durch eine Schalenstruktur aus (ultra-)hochfestem Beton aufgehoben werden. Dazu sind numerische Modelle entwickelt sowie spezifische Beanspruchungen und geometrische und materielle Restriktionen hergeleitet worden. Ein mehrebeniger Optimierungsprozess bildet den Grundstein für ein form- und herstellungsoptimiertes Schalentragwerk. Ein hergeleitetes Kriterium zur Strahlenkonzentration bewertet die Wirksamkeit. Die Projektpartner an der TU Kaiserslautern haben unter Leitung von Prof. Schnell die experimentelle Entwicklung betrieben und zu einem Großdemonstrator umgesetzt.

Das Kleben ist noch eine relativ neue Art der Verbindung von Betonbauteilen. Bei der iterativen Optimierung der Fugengestalt wird eine Folge von unterschiedlichen Fugenverläufen analysiert. Um eine Neuvernetzung für jede einzelne Fugengestalt zu vermeiden und gleichzeitig die Verzerrungen und Spannungen an der Grenzfläche zwischen HPC-Platte und Klebefuge effizient und genau zu berechnen, wird in dieser Arbeit eine Variante der erweiterten Finite-Elemente-Methode (XFEM) als Strukturanalyseverfahren vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass die Methode sehr gut zur Strukturanalyse bei der Optimierung der Fugengestalt, die implizit über eine Level-Set-Funktion beschrieben wird, geeignet ist. Die Ergebnisse der Gestaltoptimierung werden diskutiert.

Anlehnend an die japanische Papierfaltkunst Origami wurde ein Konzept für den Entwurf und die Herstellung von gefalteten Tragstrukturen aus zementbasierten Verbundwerkstoffen entwickelt. Die räumlichen Tragstrukturen werden durch Faltung von ebenen Elementen mit vorgegebenen Faltlinien hergestellt. Durch Modifikation der Faltmuster ist eine große Vielfalt an Formen erzielbar und lassen sich die Steifigkeitsverhältnisse gezielt beeinflussen. Wegen der hohen Variabilität und der großen Anzahl von Freiheitsgraden der Faltstrukturen wurde eine numerische Simulationsplattform zur Unterstützung aller Phasen des Entwurfs und der Herstellung erstellt. Mit Modellen aus Textilbeton wurde eine Herstellmethodik entwickelt. Anhand des Entwurfs einer gefalteten Kuppel wird das Entwurfs- und Herstellkonzept demonstriert.

Betondeckenplatten sind material- und energieintensive Biegetragwerke, wenn sie – wie derzeit üblich – ebenflächig und aus einer Betonsorte hergestellt werden. Während der Projektlaufzeit wurde untersucht, in welcher Höhe das Eigengewicht und der Verbrauch an natürlichen Ressourcen reduziert werden kann, indem verschiedene, leistungsfähige Betonsorten sowohl über die Plattenhöhe als auch entlang ihrer Tragrichtung kraftflussgerecht angeordnet werden. Der Schwerpunkt der Forschung lag dabei auf der Entwicklung geeigneter Berechnungsmodelle, der Analyse maßgebender Versagensarten und der experimentellen Nachweisführung an einachsig gespannten, dreischichtigen klein- und großformatigen Deckenplatten.

Bei gekrümmten Bauformen aus Beton bestimmt die Schalung den Aufwand maßgeblich. Formaktive frei geformte Betonstrukturen sind effiziente Tragwerke, werden aber durch hohe Schalungskosten oft unwirtschaftlich. Eine wandelbare Schalung für Ortbetonstrukturen, die mehrmals einsetzbar und computergestützt immer wieder in andere Formen zu bringen ist, wird positive Auswirkungen auf die Umsetzung solcher Tragwerke haben. Dieser Aufsatz fasst die grundlegenden Erkenntnisse der Forschung zu diesen Schalungssystemen zusammen. Beschrieben werden die gefundenen Typologien der Aktuator-Schalhaut-Systeme, ihre verschiedenen Funktionsweisen, Anforderungen und geometrische Gesetzmäßigkeiten. Anhand der Entwicklung eines Materialgefüges wird der Umgang mit dem systemimmanenten Widerspruch behandelt, dass ein adaptives Schalmaterial großen Frischbetondrücken widerstehen muss, gleichzeitig aber zur Umformung ‚weich‘ zu sein hat.

Regelflächen, das sind durch die Bewegung von Geraden erzeugte Flächen, haben für den Betonleichtbau unter den Gesichtspunkten Statik und Herstellung herausragende Eigenschaften: Auch wenn sie doppelt gekrümmt sind, können sie geradlinig bewehrt oder vorgespannt werden. Außerdem kann die Schalung beispielsweise durch Heißdrahtschneiden aus Polystyrol-Hartschaum gewonnen werden. In gängigen CADSystemen ist die Klasse der Regelflächen bislang nicht angemessen repräsentiert und steht deshalb für die Bauteilgestaltung nur eingeschränkt zur Verfügung. Liniengeometrie für den Leichtbau liefert nun ein mathematisches Modell, das Regelflächen und auf sie wirkende Kräfte abbildet, und entwickelt daraus Formfindungswerkzeuge, die in einer vertrauten Entwurfsumgebung das Prinzip form follows force unterstützen.