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]

Die selektive Zementaktivierung (SCA) ist ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Beton. Die SCA gehört zu den Verfahren des selektiven Bindens, bei denen schüttfähiges Material (hier eine Trockenmischung aus Zement und Gesteinskörnung) in dünnen Schichten ausgebracht und durch Einbringen einer flüssigen Komponente (hier Wasser) selektiv gebunden wird. Verglichen mit anderen Verfahren der additiven Fertigung mit Beton sind bei der SCA sowohl die Auflösung als auch die geometrische Freiheit besonders hoch. ... / Selective cement activation (SCA) is an additive manufacturing process for the fabrication of concrete elements. SCA belongs to the group of the selective binding processes in which bulk material (here a dry mixture of cement and aggregate) is spread in thin layers and selectively bound by applying a liquid component (here water). Compared to other additive manufacturing processes using concrete, both resolution and geometric freedom are particularly high with SCA. ...

Sandwichelemente mit Betondeckschichten besitzen gute bauphysikalische Eigenschaften, einen hohen Vorfertigungsgrad, geringe Montagezeiten und eine gute architektonische Gestaltbarkeit. Werden die Deckschichten mit einer Betonstahlbewehrung ausgeführt, ergibt sich ihre Dicke aufgrund der in EC 2 [1] geforderten Mindestbetondeckung zum Korrosionsschutz der Bewehrung zu etwa 80 mm [2]. Weiterhin wird bei der Bemessung von Stahlbetonsandwichelementen die Verbundtragwirkungen zwischen den einzelnen Schichten nicht angesetzt, sodass das volle Potenzial der Sandwichbauweise bei Stahlbetonsandwichelementen nicht ausgeschöpft wird. Das Forschungsvorhaben beschäftigte sich daher, aufbauend auf den Ergebnissen aus den Projekten HE 2637/16-1 und HE 2637/16-2 [3], s. S.356 ff ., mit der praxisnahen Umsetzung von weitspannenden Sandwichelementen mit dünnen Deckschichten unter Ausnutzung der Sandwichtragwirkung. Ein analytisches Berechnungsmodell, das im Zuge des Vorhabens entwickelt wurde, berücksichtigt die Verbundtragwirkung zwischen den einzelnen Schichten und kann das Trag- und Verformungsverhalten zutreffend abbilden. / Sandwich elements with concrete facings have excellent physical properties, a high level of prefabrication, short assembly times and various architectural design options. The facings are usually produced with steel reinforcement, which leads to a thickness of about 80 mm due to the minimum concrete cover required in EC 2 [1] for corrosion protection of the reinforcement [2]. Furthermore, the bond between the single layers are not taken into account in the design of sandwich elements, so that the full potential of sandwich constructions with reinforced concrete facings is not completely exhausted. Based on the projects HE 2637/16-1 and HE 2637/16-2 [3], see page 356 et seq., the focus of the transfer project was set on wide-span sandwich elements with thin facings made of carbon reinforced concrete and their practical production. An analytical model, which was developed during the project term, takes into account the bond between the single layers and can accurately represent the load-bearing and deformation behaviour of the novel sandwich elements.

Ausgangspunkt für dieses Anschlussprojekt am Institut für Tragwerksplanung der TU Braunschweig war der Wunsch, die Effektivität des Faseranteils derjenigen Betonbauteile zu erhöhen, die zuvor im SPP-Projekt Entwicklung neuartiger Verbindungen für komplexe Stab-, Flächen- und Raumtragelemente aus UHPFRC (S. 50 ff . in diesem Buch) hergestellt und untersucht wurden. Voruntersuchungen und Versuche zum Thema der magnetische Faserausrichtung in UHPFRC werden am ITE seit 2014 kontinuierlich durchgeführt [1]–[4]. Diese Voruntersuchungen berührten bereits zentrale Aspekte dieses Forschungsvorhabens und lieferten konkrete Hinweise auf die zu erwartenden Ergebnisse zur robotergestützten, magnetischen Ausrichtung und Verteilung der Mikrostahlfasern (MSF). Im Fokus der Forschung standen zum einen die Möglichkeiten der digitalen und robotergestützten Bauteilfertigung und zum anderen das Potenzial der Faserausrichtung zur Steigerung der Materialeffizienz von UHPFRC. In der Entwicklung des Verfahrens der magnetischen Faserausrichtung (MFA) wurden diese beiden Ansätze zusammengeführt. / The starting point for this follow-up project, which was carried out at the Institute of Structural Design at the Technical University of Braunschweig, was the desire to increase the effectiveness of the fibre content of the type of concrete components that were previously manufactured and investigated in the SPP project Development of novel jointing systems for complex beam surface and spatial elements made of UHPFRC (p. 50 et seq. in this book). Preliminary investigations and tests on the topic of magnetic fiber alignment in UHPFRC have been carried out continuously at ITE since 2014 [1]–[4]. These preliminary investigations already touched upon central aspects of this research project and provided concrete indications of the expected fi ndings on robot-assisted magnetic alignment and distribution of the micro steel fi bres (MSF). The research focused on the possibilities of digital and robot based component production on the one hand and the potential of fibre orientation to increase the material efficiency of UHPFRC on the other. In the development of the magnetic fibre alignment (MFA) process, these two approaches were brought together.

aus dem Inhalt: „Im Vergleich zur automatisierten Fertigung anderer industrieller Branchen ist das Bauen mit Beton noch immer stark durch handwerkliche Tätigkeiten geprägt. Dazu kommt, dass die endgültigen Eigenschaften von Betonbauteilen stark von den Umgebungsbedingungen während der Herstellung abhängig sind. Dieser Zustand führt zu Ungenauigkeiten und Unsicherheiten bei der Bauwerkserstellung, welche in einem wenig effizienten Materialeinsatz und Störungen im Bauprozess resultieren. Lange Bauzeiten und Wartezeiten bei Störungen sind die Folgen....” / from the content: „Compared to the automated production of other industrial sectors, construction with concrete is still strongly characterized by craftsmanship. In addition, the final properties of concrete components are strongly dependent on the environmental conditions during production. This leads to inaccuracies and uncertainties during construction, which result in inefficient use of materials and disruptions in the construction process. Long construction times and waiting periods in the case of disruptions are the consequences....”

aus dem Inhalt: „Die im Teilprojekt Mark/Schnell des SPP 1542 erbrachten Entwicklungen an Parabolrinnen (siehe S. 536 ff . des vorliegenden Buches) haben gezeigt, wie aussichtsreich die Verwendung von Feinkornbetonen für die Herstellung hochpräziser, formstabiler Bauteile ist [1], [2]. Die gewonnenen Erkenntnisse und die Nachfrage aus der Solartechnik ermutigen zur Übertragung auf verwandte Anwendungsgebiete, nämlich auf Heliostate [3] unter der Leitidee einer weitgehend industrialisierten Präzisionsfertigung. Wegen der extrem hohen Wiederholungszahl gleicher oder sehr ähnlicher Fertigteile sind Heliostate für den Betonfertigteilbau auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in nahezu idealer Weise geeignet....” / from the content: „Recent developments on parabolic troughs (see p. 536 seq. of this book) in Mark/Schnell’s project of the SPP 1542 have shown that the use of finegrained concrete is a promising alternative for the manufacture of highly precise components with low deformations [1], [2]. Their findings and requests in solar technology have encouraged a transfer to related fields of application, namely to heliostats [3]. The guiding principle is broadly industrialized precision manufacturing. Due to an extremely high number of identical or utmost similar precast elements, heliostats seem to be ideally suited for precast concrete construction from an economic point of view....”