Leichte Tragwerke

In der ersten Phase des laufenden DFG SPP 1542 wurden am ITE in Kooperation mit dem iBMB das Teilprojekt: Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen und Stabwerkselemente aus UHPC bearbeitet. Schwerpunkt der Untersuchungen war die Entwicklung passgenauer Trockenstoßverbindungen für dünnwandige UHPFRC Bauteile zur Übertragung von Druck, Biege und Scherkräften.

Der wesentliche Ansatz hierbei ist, eine hohe mechanische Effizienz durch gesteigerte Präzision und geometrische Komplexität im Fügebereich zu erreichen. Neben der passgenauen Fügung werden die Bauteile mittels innen verlaufender Spannelemente axial vorgespannt. Die neuartigen Verbindungen werden für folgende UHPFRC Bauteile entwickelt: Axial belastete und trocken gestoßene dünnwandige Rohrprofile zur Übertragung von Druckkräften; biegesteife Knotenelemente aus dünnwandigen Rohren zur Umlenkung von Kräften in Stabtragwerken sowie linienförmige Trockenstoßverbindungen zur passgenauen Fügung von segmentierten Schalenbauteilen. Die in der ersten Förderperiode gestellten Ziele wurden mit dem Ende der ersten Förderperiode erreicht und wurden bereits mehrfach publiziert.

Ziel der Forschung im neuen Teilprojekt: "Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Hybride, trocken gefügte Stab-, Flächen- und Raumtragelemente aus UHPFRC" in der nun beginnenden zweiten Phase des laufenden DFG SPP 1542 ist es, die in der ersten Antragsphase entwickelten neuartigen Verbindungen für UHPFRC Bauteile in leistungsfähige leichte Stab, Flächen und Raumtragelemente zu überführen. Der neue Ansatz steckt in der Steigerung der Traglasten von Bauteilen und Tragwerken durch intelligente Kopplung einzelner modular aufgebauter Stab und Flächenelemente zu hybriden, zusammenwirkenden Tragelementen und Systemen. Durch Kombination trocken gestoßener Stäbe mit schubfest verbundenen, ebenen oder gekrümmten Flächenelementen lässt sich eine Vielzahl baupraktisch relevanter Tragwerkstypen realisieren, von den überwiegend biegebeanspruchten Tragwerken hin zu formoptimierten Schalen. Die Grundlagen der ersten Förderperiode werden beibehalten: Verwendung von UHPFRC zur Verbesserung der Zugtragfähigkeit und des Nachbruchverhaltens, passgenaue Trockenstoßverbindungen sowie effiziente Materialausnutzung durch planmäßige Vorspannung. Da in diesem Forschungsvorhaben nicht alle denkbaren Kombinationsmöglichkeiten von Stäben und Flächen in ihrer geometrischen Vielfalt untersucht werden können, werden für die Arbeiten exemplarisch drei für die Baupraxis relevante Fälle aus den möglichen Tragelementkombinationen ausgewählt: Fügung von Stab und Flächenelementen zu einem einachsig vorgespannten Plattenbalkenelement, Fügung von Stab und Flächenelementen zu einem orthogonalen, zweiachsig vorgespannten Flächentragwerk und Fügung von Stab und Flächenelementen zu gekrümmten Raumtragwerken. Je nach geometrischen Randbedingungen können die so entstehenden Hybridtragsysteme- und elemente in der Ebene als hauptsächlich biegebeanspruchtes Bauteil oder im dreidimensionalen Raum überwiegend über Membrankräfte tragen.

In dem ersten Jahr der zweiten Antragsphase konnten bereits die einachsig vorgespannten Plattenbalkenelemente hergestellt und untersucht werden. Für den Schalungsbau der einzelnen Bauteile des modular aufgebauten Plattenbalkens wurden geschlossenporige PUR-Platten der Firma obomodulan® gewählt, da diese rational fräsbar, belastbar und weitgehend spannungsfrei sind. In diversen Vorversuchen wurden großformatige, bereits mit unterschiedlichen Verzahnungsgeometrien versehene Platten hergestellt und mittels des optischen Vermessungsverfahrens der Firma GOM auf deren Maßhaltigkeit hin untersucht (Bild 1). Im Folgenden wurde ein Schalungs- und Herstellungskonzept für den Plattenbalken entwickelt, wobei sämtliche Schalungselemente gefräst wurden, um die Fertigungstoleranten zu minimieren und so die passgenaue, trockene Fügetechnik, die bereits während der ersten Antragsphase entwickelt wurde, auf den architektonischen Maßstab übertragen zu können.
Nach dem Verpressen der acht Einzelelemente wurde der drei Meter lange Plattenbalken in einem 4-Punkt-Biegeversuch am iBMB untersucht. Besonderer Fokus lag hierbei auf dem Schubverbund der Verzahnung zwischen dem Balkens mit den angeschlossenen Platten.