Besuchen Sie uns auf Der Bau 2011 Halle C3 Stand 503 - Mikado

SIMON SCHLEICHEr
Es ist ein altbekannter Grundsatz,
dass die Tragfähigkeit einer Konstruktion
nicht nur vom Material an
sich, sondern vor allem auch von
dessen Formgebung abhängt. Den
modernen Beweis dafür lieferten die
Wissenschaftler und Studenten des
Instituts für Computerbasiertes Entwerfen
(ICD) und des Instituts für
Tragkonstruktionen und Konstruktives
Entwerfen (ITKE) der Universität
Stuttgart mit der Planung und dem
Bau eines Forschungspavillons.
Wie ein überdimensionaler Lampenschirm
aus geflochtenem Korb
wirkt die komplexe Tragstruktur aus
gebogenen Sperrholzstreifen, die sich
über der Rundung einer Betonbank
wölbt. Der Strukturleichtbau zeigt,
welche Formen sich heute mit computerbasierten
Entwurfs-, Simulations-
und Produktionsprozessen
entwickeln lassen.
Biegeaktive Tragstruktur aus in
sich stabilen Bogenpaaren
Die Tragstruktur mit 10 m Außendurchmesser
und einer Spannweite
von 3,50 m ergibt sich aus der An-
einanderreihung von 40 Bogenpaaren
aus Sperrholzstreifen. Die sind
miteinander gekoppelt und zwischen
einen inneren und einen äußeren
Ring aus senkrechten Spanten,
die in mit Kies gefüllten Holzwannen
als Widerlager stecken, eingespannt.
Jedes Bogenpaar besteht aus einem
Thema des Monats Ingenieurholzbau
Zug- und einem Biegeelement. Dabei
hält das Zugelement das Biegeelement
elastisch in Form, sodass ein in
sich stabiler Bogen entsteht.
Die Biegevorspannung der aufgewölbten
Bögen erhöht die Tragfähigkeit
des sich selbst stabilisierenden
Gesamtsystems erheblich und
ermöglichte die Fertigung des Pavillons
aus 80 einzelnen 10 m langen
und nur 6,5 mm dünnen Holzstreifen.
Solche unter Eigenspannung gesetzte
Bauteile erlauben extrem leichte und
gleichzeitig sehr steife Tragwerke, die
als „biegeaktiv“ bezeichnet werden.
Sie stellen eine neue Form des sog.
„Strukturleichtbaus“ dar. Sein Ziel
ist, Material und damit Gewicht einzusparen.
So können komplex gekrümmte
Formen aus geraden Bauteilen
entstehen.
Formfindung mit Experimenten
und moderner Software
Die genaue Form der Biegelinien
der Bogenpaare und deren Abhängigkeiten
untereinander wurden
sowohl experimentell als auch anhand
von parametrischen digitalen
Modellen ermittelt. „Zuerst ging es
darum, das elastische Biegeverhalten
von Birkensperrholz zu ermitteln.
Wir mussten an unseren Versuchsständen
durch Messungen die
relevanten Materialkennwerte herausfinden,
d.h. mit welchen Radien
sich die Sperrholzplatten biegen las-
◂ Zusammenbau:
Die Studenten
spannen die
ebenen Streifen
innen und
außen ein und
formen sie
dabei zu Bögen
▾ Außenansicht
des fertigen
Pavillons: Die
unterschiedlich
gebogenen
Streifen sind
an exakt berechneten
Punkten
miteinander
verbunden und
stabilisieren
sich gegenseitig
sen und welche Spannungen dabei
auftreten“, erklärt Architekturstudent
Manuel Vollrath stellvertretend für
sein Entwurfsteam. „Dann ging es
darum, eine Geometrie zu finden, die
einerseits die Potenziale des Materials
optimal ausnutzt und andererseits
gestalterisch überzeugt.“
Auf Grundlage dieser Ermittlungen
wurde eine Methode zur numerischen
Formfindung in einem Finite-
Elemente-Methode-Programm (FEM)
entwickelt und aus den gewonnenen
Daten ein computerbasiertes Informationsmodell
generiert. In ihm sind
alle relevanten, materialspezifischen
Eigenschaften der Tragstruktur und
viele andere formbestimmende Parameter
eingebettet.
Die FEM-Simulation des tatsächlichen
Materialverhaltens unter allen
vorgegebenen geometrischen und
physikalischen Randbedingungen ermöglichte
die genaue Berechnung
des Biege- und Tragverhaltens. Mit
dem darauf basierenden statischen
Modell, das die Biegespannungen berücksichtigt,
konnte die Bemessung
unter Windlasten erfolgen.
Ändert sich ein Code, ändert sich
automatisch alles
Anders als bei herkömmlichen digitalen
Entwurfsprozessen bildete das
Informationsmodell nicht die Geometrie
der angestrebten Form des Pavillons
ab, sondern stellte ein speziell
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JULIAN LIENHArD