Betone für schlanke Schalentragwerke weisen zur Sicherstellung ausreichender Zugfestigkeiten oft einen hohen Stahlfasergehalt auf. Dies ist mit hohen ökologischen und monetären Kosten verbunden. Das Ziel war es daher, die Voraussetzungen für die Herstellung effizienter Schalentragwerke aus funktional fasergradierten Betonfertigteilen zu schaffen. / Concrete for slender load-bearing shell structures often has a high steel fibre content to ensure sufficient tensile strength. This is associated with high ecological and financial costs. Thus, the aim of this project was to create the prerequisites for the production of efficient shell structures made of functional fibre-graded precast concrete elements.

Die additive Fertigung erlaubt ein bisher nicht gekanntes Maß an geometrischer Freiheit bei der Gestaltung von Bauteilen. In der Medizin- und Dentaltechnik wird die additive Fertigung beispielsweise eingesetzt, um an die individuelle Anatomie des Patienten angepasste Prothesen und Implantate herzustellen. Im Maschinenwesen ermöglicht sie den Bau von multifunktionalen und formoptimierten Bauteilen und damit eine Senkung des Materialeinsatzes bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit. In der Luft- und Raumfahrttechnik wird sie genutzt, um mittels Topologieoptimierung oder durch das Zusammenfassen von ganzen Baugruppen zu einem einzelnen Bauteil Gewicht zu sparen [1]. (Aus: Motivation] / Additive manufacturing allows a previously unknown degree of geometric freedom in the design of components. In medical and dental technology for example, additive manufacturing is used to produce prostheses and implants adapted to the individual anatomy of the patient. In mechanical engineering, it enables the construction of multifunctional and shape-optimized components thus reducing the amount of material used while simultaneously increasing performance. In aerospace engineering, it is used to save weight by means of topology optimization or by combining entire assemblies into a single component [1]. [Off: Motivation]

Für die Realisierung nach bionischen Prinzipien entworfener Betontragwerke mit frei geformten Bauteilkonturen ist die erforderliche Schalung in technischer und ökonomischer Hinsicht von eminenter Bedeutung. Im Forschungsvorhaben wurde sich mit der Entwicklung adaptiver und aktiv regulierbarer Schalungssysteme befasst, welche durch den Einsatz neuartiger Materialen und Konstruktionsprinzipien flexibel auf beliebig geneigte und gekrümmte Bauteiloberflächen reagieren kann. Das Schalungssystem selbst soll nach bionischen Prinzipien agieren. Computergestützt ansteuerbare, elektrisch regulierbare Stellgliedsysteme ermöglichen effiziente, materialsparende Herstellverfahren und minimieren die Beanspruchung des Schalungssystems. / Formwork has great significance for the realisation of concrete load-bearing structures designed according to bionic principles with free-formed contours in technical and economic regard. The research project focussed on developing adaptive and actively controllable formwork systems that can flexibly respond to arbitrarily inclined and curved building part surfaces using new material and construction principles. The formwork itself is supposed to act according to bionic principles. Computer-aided, electrically controllable control element systems allow for efficient, material-saving manufacturing methods and minimise the load on the formwork system.

In der aktuellen Baupraxis werden mit Standard-Tragelementen meist rechteckige Grundrisse erzeugt. Ausgenommen sind weitspannende Konstruktionen, wie Kuppeln von Domen oder Kühltürme von Kraftwerken. Im Gegensatz dazu waren Schalen aus Stahlbeton im Hochbau im vergangenen Jahrhundert weit verbreitet. Dazu wurden in der Regel große Strukturen in situ betoniert. Zusätzlich wurden weit spannende Fertigteile mit relativ geringer Breite hergestellt. Diese Faltwerke oder doppelt gekrümmten Elemente wurden zum Teil mit einer Dicke von weniger als 10 cm realisiert und häuf g im sofortigen Verbund vorgespannt. Bedenken hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit können ein Grund dafür gewesen sein, dass solche Konstruktionen heute üblicherweise nicht mehr gebaut werden. [Aus. Einleitung] / In current building practice, standard load-bearing elements are mostly of rectangular shape. Exceptions are large shell structures, such as cupolas of domes or cooling towers of power plants. In contrast, shells made of reinforced concrete (RC were widely applied for building construction in the last century. For this purpose, large structures were usually cast in situ. Additionally, long-span precast elements with limited width were produced. These folded plate or doubly curved elements were realised with a thickness of less than 10 cm and usually prestressed with steel tendons. Concerns regarding the corrosion resistance might have been a reason that such constructions are not build regularly today. [Off: Introduction]

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 CAD-Systemen 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. [Aus. Einführung] / Ruled surfaces, which are surfaces created by the movement of straight lines, have outstanding properties for lightweight concrete construction from the viewpoints of statics and production: even if they are double-curved, they can be reinforced or prestressed in a rectilinear fashion. In addition, the formwork can be obtained ef ciently from rigid polystyrene foam by hot wire cutting, for example. In current CAD systems, the class of ruled surfaces has not yet been adequately implemented and is therefore only available to a limited extent for component design. This project Line Geometry for Lightweight Structures provides a mathematical model that represents ruled surfaces and the forces acting on them, and uses this to develop form finding tools that support the principle of form follows force in a familiar design environment. [Off: Introduction]

Schalentragwerke sind aufgrund ihres vorteilhaften Lastabtragverhaltens im Membranzustand sehr geeignet für die Herstellung leichter Tragwerke. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Entwicklung einer geeigneten numerischen Methode, um möglichst effizient statische und dynamische Berechnungen durchzuführen und damit den Entwurf zu erleichtern. Für Entwurf und Analyse wird eine neuartige Kombination von Substrukturtechnik und Modellreduktion eingesetzt, um den notwendigen Rechenaufwand zu minimieren. [Aus: Einleitung] / Shell structures are very suitable for the construction of lightweight structures, especially because of the load bearing behaviour in the membrane state. Based on this concept, the main focus of this project is to develop suitable numerical methods to carry out the static and dynamic analysis efficiently, with the target of simplifying the design. For the design and analysis, a new methodology has been developed which couples substructuring and model order reduction. This allows to reduce the degrees of freedom of the system as well as the computational ef ort signif cantly. [Off: Introduction]

Durch computergestützte Methoden zur Formfindung und Strukturoptimierung können heute Betonstrukturen entwickelt werden, die optimal an ihre jeweilige statische Aufgabe angepasst sind. Mit dem reduzierten Material- und Energieverbrauch der optimierten Struktur geht jedoch zumeist eine Geometrie einher, deren Herstellung material- und arbeitsintensiver Schalungstechniken bedarf. Auch vor dem Hintergrund einer absehbaren Knappheit von für die Bauindustrie wichtigen Materialien hat Werner Sobek schon 1999 mit der Triple-Zero®-Maxime – zero fossil based energy, zero waste, zero emission – gefordert, in Bauprozessen idealerweise nur recycelbare Materialien zu verwenden [1]. Dem steht die Forderung gegenüber, dass eine Schalungstechnik die Formgebung, Konstruktion oder Herstellung von optimierten, insbesondere geometrisch komplexen Bauteilen in keiner Weise einschränken sollte. [Aus: Einführung] / Today, computer-aided methods for form-finding and structural optimization can be used to develop concrete structures that are optimally adapted to their structural requirements. However, the reduced material and energy consumption of the optimized concrete structure usually goes hand in hand with complex geometry whose production usually requires material- and labour-intensive formwork techniques. With a foreseeable scarcity of essential construction materials in mind, Werner Sobek back in 1999 coined the Triple-Zero® concept – zero fossil-based energy, zero emission, zero waste – which demands that only recyclable materials should be used in construction processes [1]. Thus, there is a demand for waste-free formwork technology that simultaneously should in no way restrict the shaping, design or manufacture of optimised, and therefore, geometrically complex components. [Off: Introduction]

Ein Carbonbeton-Schalentragwerk, das im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ von der TU Chemnitz entwickelt wurde, wurde nach Projektabschluss erfolgreich errichtet. / A carbon reinforced concrete shell structure which wasdeveloped by Chemnitz University of Technology as part of the DFG Priority Programme SPP 1542 “Concrete ligth” was successfully erected after the project was completed.

Der Demonstrator für das SPP 1542 sollte die Erkenntnisse der Teilprojekte „Querschnittsadaption für stabförmige Druckbauteile“ und „Leichte Deckentragwerke aus geschichteten Hochleistungsbetonen“ aufgreifen und widerspiegeln. Zudem sollte ein Tragwerk verwendet werden, dessen Kraftfluss für jeden Betrachter deutlich erkennbar ist und dessen Erscheinung dem Prinzip form follows force folgt. Da das Deutschen Museum in München im Zuge der Modernisierung zukunftsfähigen Innovationen mehr Raum bieten möchte, ergab sich die Möglichkeit, eine Ausstellungsbrücke in der Abteilung Brückenbau zu errichten. Das Deutsche Museum zählt zu den weltweit anerkanntesten Institutionen für Naturwissenschaft und Technik und gehört mit jährlich ca. 1,5 Millionen Besuchern zu den meistbesuchten Museen in Deutschland [1]. Für den Demonstrator steht ein ca. 9,5 m langer und ca. 2,0 m tiefer Bereich zwischen zwei Wänden zur Verfügung. Die Ausstellungsbrücke sollte in einer Höhe von ca. 3,50 m installiert werden, um diese sowohl von unten als auch von der in gleicher Höhe benachbarten Besucherbrücke von Jörg Schlaich [2] betrachten zu können. [Aus. Einleitung] / The demonstrator for SPP 1542 should take into account and reflect the findings of the SPP projects “Cross-section adaptation for bar-shaped compression components” and “Lightweight floor structures made of layered high-performance concretes”. In addition, a structure was to be designed where the flow of force is clearly recognisable to any observer from the external shape and whose design follows the principle of form follows force. Since the Deutsches Museum in Munich wants to of er more space to future-oriented innovations in the course of modernisation, the opportunity came up to erect an exhibition bridge in the bridge construction department. The Deutsches Museum is one of the world’s most renowned institutions for natural science and technology and, with around 1.5 million visitors a year, one of the most visited museums in Germany [1]. An area approx. 9.5 m long and approx. 2.0 m deep between two walls was available for the demonstrator. The exhibition bridge was to be installed at a height of approx. 3.50 m so that it could be viewed from below as well as from the neighbouring visitor bridge by Jörg Schlaich [2] at the same height. [Off: Introduction]

Ein Blick in die Baugeschichte zeigt, dass sich in Abhängigkeit der vorhandenen Baumaterialien jeweils typische, sinnvolle Konstruktionsformen herausgebildet haben. Bereits vor mehr als 10.000 Jahren errichtete man Gebäude aus Ziegelmauerwerk [1]. Im antiken Rom erlebte der opus caementitium seine Glanzzeit [2]. Beide Materialien sind sehr druck-, aber wenig zugfest. Folglich findet man hauptsächlich druckbeanspruchte Strukturen wie Wände oder Kuppeln, für Decken wurde beispielsweise Holz genutzt. Für Naturbrücken aus zugfesten Pflanzenmaterialien hingegen sind Hängekonstruktionen prädestiniert. Mit Stahl und bewehrtem Beton können auch biegebeanspruchte Konstruktionen realisiert werden. Allerdings nimmt man hierbei in der Regel in vielen Tragwerksbereichen eine mangelhafte Materialausnutzung in Kauf. [Aus: Intention] / A look at the construction history shows that typical, sensible forms of construction have developed depending on the building materials available. More than 10,000 years ago, buildings were already made of brickwork [1]. In ancient Rome, the opus caementitium experienced its heyday [2]. Both materials were very resistant to pressure, but had little tensile strength. Consequently, one mainly finds structures subject to compressive stress such as walls or cupolas; for ceilings, for example, wood was used. For natural bridges made of tension-resistant plant materials, on the other hand, suspended structures are predestined. With steel and reinforced concrete, structural elements subject to bending stress can also be realised. However, in many areas of such structures, insufficient utilisation of the material is accepted. [Off: Intention]