Für die Herstellung großformatiger dünnwandiger Schalentragwerke bedarf es geeigneter Schalungssysteme, die eine frei geformte Geometrie, eine erhöhte Wiederverwendbarkeit sowie eine glatte Sichtbetonqualität der Elemente ohne Fehlstellen (Architekturbeton) in Kombination mit einer hohen Produktivität gestatten [1]. Derzeit ist die Herstellung frei geformter Beton-Leichtbauelemente sowohl mit einem erheblichen Material- und Montageals auch Kostenaufwand verbunden [2]–[4]. Zu üblichen Schalungstechniken zählen konventionell segmentierte Holz- und Stahlsysteme, pneumatisch gestützte und modellierte Schalungen sowie deren Kombinationen. Für einfach verformbare Schalungssysteme sind dazu einige Patente angemeldet worden, z. B. [5]–[7]. Aktuelle Forschungen (wie bspw. [8]–[11]) beschäftigen sich weiterhin mit flexiblen Schalungssystemen, die über zahlreiche einstellbare Aktuatoren frei formbare Flächen mit zumeist polymeren Schalhäuten erzeugen. / For the production of large-size concrete shell structures with thin walls, it is necessary to provide formwork systems, which permit freely formed geometries, enhanced reusability and smooth, fair-faced concrete quality of the elements without defects (architectural concrete) in combination with high productivity [1]. Currently, the production of lightweight, freeformed concrete elements is characterized by high material and installation eff orts as well as costs [2]–[4]. Common formwork techniques include segmented systems made of wood or steel, pneumatically supported and modelled formworks as well as combinations thereof. There are some pending patents on simply deformable formwork systems, e.g. [5]–[7]. Furthermore, recent research activities encompass flexible formwork systems, which generate free-form areas with the help of numerous adjustable actuators and polymer membranes [8]–[11].

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.

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]

Nature brings lot of possibilities and inspirational ideas in various industries. Many fields of human activity from transportation, energy and electronics derives inspiration from natural structures and systems to be more efficient. The civil engineering and industry of building materials is not an exception. The ongoing joint research project CRC/TRR 280 [1] aimed on looking for a new methodology and approaches in design of light weight and bio inspired structures made of textile reinforced concrete (TRC). Special interest is on shell structures with membrane stresses that brings an extremely favourable span-to-material ratio that in turn means excellent structural performance. The current paper aimed to show the numerical side of the current research project.

Schalentragwerke werden derzeit häufig aus Stahl oder Holz gebaut, dagegen findet Beton aus diversen Gründen selten Verwendung. Dies liegt unter anderem an der aufwändigen und daher kostenintensiven Schalungsherstellung [1], [2]. Werden Schalen mit einer Regelflächengeometrie entworfen, kann die Anwendung von Beton wieder wirtschaftlich sein. Regelflächen werden aus Geraden erzeugt und weisen dennoch eine doppelte Krümmung auf. Dadurch kann die Schalung aus geradlinigen Elementen (z. B. Holzbrettern) oder für eine höhere Präzision mit einer Heißdrahtschneidemaschine hergestellt werden. Somit lässt sich das effiziente Tragverhalten doppelt gekrümmter Schalen mit einer vergleichsweise einfachen Herstellung vereinen [3], [4]. [Aus: Einführung] / These days, shell structures are generally made of steel or wood, whereas concrete is rarely used. One reason for this is the complex and therefore cost-intensive production of formwork [1], [2]. However, with the use of ruled surface geometries, the use of concrete can once again become economical. Ruled surfaces are created from straight lines and still can have a double curvature. This allows the formwork to be made from straight elements (e.g. wooden boards) or for greater precision, with a hot wire cutting machine. Thus, the effcient load-bearing behaviour of doubly curved shells can be combined with a comparatively simple production process [3], [4]. [Off: Introduction]

Parabolrinnen-Kraftwerke sind zurzeit die am häufigsten zum Einsatz kommende und wirtschaftlichste Technologie solarthermisch konzentrierender Systeme (Concentrated Solar Power – CSP) und gehören zu den linienfokussierenden Systemen [1]. In Spanien stellen die solarthermischen Parabolrinnen-Kraftwerke Andasol 1–3 mit einer Kollektorfläche von ca. 150 Millionen m² bereits 150 MW zur Verfügung, mit denen ca. 200.000 Einwohner jährlich mit Strom versorgt werden können [2]–[4]. Das Solarfeld besteht aus ca. 150 m langen, in Reihe angeordneten Kollektoren, die aus einzelnen Parabolrinnen-Kollektormodulen zusammengefasst und im Tagesverlauf der Sonne nachgeführt werden. Die Lagerung erfolgt an den Modulrändern im Schwerpunkt des Kollektormoduls, der mit der Rotationsachse zusammenfällt. Bisher werden die Kollektoren überwiegend als filigranes Stahlfachwerk mit über die Aperturweite parabelförmig, uniaxial gekrümmten und punktuell gestützten Spiegelelementen ausgeführt. Bei der Assemblierung der Stahlfachwerke und der Spiegelelemente ist schon im Bauzustand durchgehend eine hohe Präzision gefordert, um eine maximale Solarstrahlenkonzentration der einfallenden direkten solaren Strahlung auf ein in der Fokallinie befindliches Absorberrohr sicherzustellen [5]. In diesem wird ein Wärmeträgermedium, zumeist Thermoöl, auf eine Prozesstemperatur von ca. 400 °C erhitzt. In einem nachgeschalteten konventionellen Kraftwerksblock wird mittels Dampfturbine Elektrizität erzeugt. Das bisher kommerziell meist genutzte Kollektormodul ist der EuroTrough mit einer Aperturweite von ca. 5,80 m und einer Modullänge von 12 m [6], [7] (Bild 1), welches als Benchmark für die erste Förderphase des Projekts diente. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit zielen bisherige Entwicklungen auf eine Vergrößerung der Spiegelfläche zur Steigerung des Wirkungsgrades über einen erhöhten geometrischen Konzentrationsgrad, definiert als das Verhältnis von Reflektor- zu Absorptionsfläche, ab. Module wie der UltimateTrough und der SpaceTube erreichen dies durch die Vergrößerung der Aperturweite auf 7,5 m bzw. 8 m [8], [9]. Ein alternatives Strukturkonzept aus stahlfaserverstärkten Betonfertigteilen der Schweizer Firma Airlight mit einer Aperturweite von 9,7 m besteht aus durch Luftdruck in parabolische Form gebrachten Spiegelfolien als Reflektorsystem und wurde bisher in einem Pilot-Kraftwerk in Ait-Baha, Marokko, umgesetzt [10]. Wesentliche Arbeiten der zweiten Förderphase sind daher – dem Trend zu größerer Apertur folgend – an der visionären Entwicklung von Parabolschalen mit Öffnungsweiten von bis zu 10 m ausgerichtet. [Aus: Einleitung] / Parabolic trough power plants are currently the most frequently used and most economical technology of solar thermal systems (Concentrated Solar Power – CSP) and belong to the linear focus collector types [1]. In Spain, the solar thermal parabolic trough power plants Andasol 1–3 with a collector area of approx. 150 million m² already provide 150 MW, which means that approx. 200,000 inhabitants can be annually supplied with electricity [2]–[4]. The solar field consists of approx. 150 m long collectors arranged in rows, which are combined from individual parabolic trough collector modules and track the sun during the course of the day. The bearings are located at the edges of the module in the centre of gravity of the collector module, which corresponds to the axis of rotation. Up to now, the collectors have mainly been designed as a steel framework with parabolic, uniaxially curved and pointwise supported mirror elements. During the assembly of the steel framework and the mirror elements, high precision is required throughout the manufacturing in order to ensure a maximum solar radiation concentration of the incident direct solar radiation on an absorber tube located in the focal line [5]. A heat transfer medium, usually thermal oil, is heated to a process temperature of approx. 400 °C in the absorber tube. Electricity is generated in a downstream conventional power plant unit by means of a steam turbine. The most commercially used collector module is the EuroTrough with an aperture width of approx. 5.80 m and a module length of 12 m [6], [7] (Fig. 1), which served as a benchmark for the first funding phase of the project. In order to improve economic efficiency, previous developments have aimed to increase the size of the mirror surface in order to increase efficiency by a higher geometric degree of concentration, defined as the ratio of reflector surface to absorption surface. Modules like the UltimateTrough and the SpaceTube achieve this by increasing the aperture width to 7.5 m or 8 m, respectively, [8], [9]. An alternative structural concept consisting of prefabricated steel fibre-reinforced concrete elements from the Swiss company Airlight with an aperture width of 9.7 m consists of parabolic mirror foils as a reflector brought into parabolic shape by air pressure and has already been implemented in a pilot power plant in Ait-Baha, Morocco [10]. Therefore, in line with the trend towards a larger aperture, major work in the second funding phase aims at the visionary development of parabolic shells with aperture widths of up to 10 m. [Off: Introduction]