Biegeaktive Segmentschalen
Die hier vorgestellte Masterarbeit hatte zum Ziel, ein System- und Designprozess für biegeaktive Segmentschalen zu entwickeln. Es werden hier Schalenkomponenten elastisch gebogen und verbunden, um eine Schalenkonstruktion zu formen. Die Forschung untersuchte die Grundprinzipien, Materialien und Herstellungstechniken, ebneso wie das Tragverhalten und den möglichen Entwurfsspielraum des entwickelten Systems. Das war die Basis für die Einführung eines integrierten Entwurfs- und Analysewerkzeugs, in dem parametrisches Design und Finite-Element-Analyse kombiniert sind.
Im Allgemeinen zeigen biegeaktive Konstruktionen räumliche, gewölbte Formen durch das elastische Biegen ursprünglich flacher oder planarer Elemente. Das ist vorteilhaft, da gekrümmte Segmente ohne umfangreiche Schalung oder Gerüste hergestellt werden können.
Die spätere Verbindung mehrerer gebogener Streifen ermöglicht es, mit einer sehr einfachen und ökonomischen Konstruktion kontinuierliche, frei geformte Schalenkonstruktionen zu bauen. Diese Bauweise hat das Potential, den Materialverbrauch, Abfall und Arbeitsaufwand im vergleich zu gängigen Konstruktionsmethoden für Schalen zu reduzieren.
Wegen der Spannungen aus dem Biegeprozess müssen die Elemente vergleichsweise dünn und flexibel sein. Daraus resultiert eine sehr geringe Tragfähigkeit der einzelnen Streifen. Durch die Verbindung der Segmente zu einer doppelt gekrümmten Schalenfläche wird eine Membranwirkung als vorherrschendes Tragverhalten erzielt und macht macht das System tragkonstruktiv sehr effizient.
Durch die Verbindung der Streifen entlang ihrer Ränder kann man verschieden Freiform-Geometrien erreichen.
Diese Masterarbeit zeigt, dass es möglich ist, nur mit dem sehr einfachen Prozess des aktiven Biegens frei geformte Schalenkonstruktionen zu bauen. Es ist keine zusätzliche Schalung notwendig. Durch das effiziente Tragverhalten der Schale können sehr filigrane, dünne und leichte Konstruktionen entworfen werden. Simulationen und Analysen haben veranschaulicht, dass das System Potential hat, für verschiedene Baugrößen genutzt zu werden, z.B. Fassen oder Dächer.
Die ursprüngliche Herstellung der Schalensegmente in planarem Zustand macht ihren Transport im Vergleich zu räumlichen Komponenten einfacher. Das elastische Biegen ist reversibel und macht temporäre Konstruktionen für zahlreiche Anwendungen möglich. Für die Schalensegmente können Maerilaien wie Holz oder faserverstärkte Kunststoffe genutz werden, weil sie eine hohe Festigkeit bei einem vergleichsweise niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen, was enge Biegeradien erlaubt.
Kontakt Jan Brütting
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen – Prof. Dr.‐Ing. Jan Knippers
Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung – Prof. Achim Menges
Betreuer
Daniel Sonntag, Axel Körner