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.

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.

Das Schwerpunktprogramm 1542 − Leicht Bauen mit Beton − wird seit nunmehr drei Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Abriss, wie es zur Einrichtung des SPP 1542 kam, und einen Überblick über Struktur, Koordinierung, Schwerpunktaktivitäten sowie Öffentlichkeitsarbeit in der ersten Förderphase.

Im Wesentlichen beschreibt diese Fragestellung die zentrale Zielsetzung des Projektes. Heutzutage werden Stützen, die häufigste Form von stabförmigen Druckbauteilen in Gebäuden, zumeist mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt und mit einem konstanten Verlauf über die Stützenlänge ausgeführt. Aber wie sieht die möglichst optimale Geometrie eines schlanken Druckbauteils aus? Im Rahmen des Projektes wurde dieser Fragestellung nach einer günstigen Adaption der Querschnittsgeometrie von Stützen in Quer- und in Längsrichtung nachgegangen. In der Regel unterscheidet man bei Stützen zwischen den möglichst ideal zentrisch gedrückten und denen, die exzentrisch gedrückt bzw. mit einem Moment belastet werden. In dieser 1. Phase des Projekts wurden zunächst die ideal zentrisch belasteten betrachtet.

Im Rahmen des SPP 1542 Leicht Bauen mit Beton wurden am Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig ultraleichte, dünnwandige Betonhohlbauteile untersucht, die den Bambus als bionisches Vorbild hatten. Für die sehr geringen Wandstärken von nur maximal 3,0 cm wurde ein selbstverdichtender, hochfester Feinkornbeton verwendet, mit dem eine hohe Betonqualität zielsicher erreicht wurde. Ferner wurden drei innovative Bewehrungskonzepte eingesetzt. Bauteilversuche unter exzentrischer Normalkraftbeanspruchung wurden hinsichtlich der Traglasten, des Verformungsverhaltens und der Versagensmechanismen ausgewertet. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse mit theoretischen und numerischen Berechnungsmodellen abgeglichen. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Empfehlungen für eine Bemessung erarbeitet werden.

Im Teilprojekt Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke werden an der Tragwirkung orientierte, formoptimierte Druckstäbe und Vorgespannte Zugstäbe aus innovativen Materialien entwickelt. Durch Untersuchungen an diesen Komponenten sollen Grundlagen für die zukünftige Realisierung von schlanken stabförmigen Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise geschaffen werden. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst ein kurzer Überblick über das gesamte Teilprojekt gegeben. Anschließend werden die bisher durchgeführten Untersuchungen zu den Druck- und Zugstäben und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt. Außerdem werden weitere laufende oder geplante theoretische und experimentelle Untersuchungen erläutert.