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23-08-2019 | Tragwerksplanung | Im Fokus | Article

Ziegelschalen aus ebenen Fertigteilen

Author:
Christoph Berger

Schalentragwerke sind leistungsfähig, verursachen aber hohe Kosten. In einem Forschungsprojekt wurde daher nach einem kostengünstigeren Herstellungsverfahren gesucht. Vorgefertigte Module könnten ihren Einsatz attraktiver machen.

"Schalen vereinigen mit ihrer ansprechenden Form und ihrem günstigen Tragverhalten zwei wesentliche Bauwerkseigenschaften. Ungünstig ist die aufwändige Herstellung, sodass Schalentragwerke im Wesentlichen auf repräsentative Bauwerke oder regelmäßige Geometrien beschränkt sind", schreibt Dieter Dinkler im Abschnitt "Gekrümmte Flächentragwerke" des Kapitels "Tragwerksmodelle der Stabstatik" im Springer-Fachbuch "Grundlagen der Baustatik". Was beispielsweise das gute Tragverhalten betrifft, so geht José Luis Moro darauf genauer im Kapital "Grundlagen" des Springer-Fachbuchs "Baukonstruktion – vom Prinzip zum Detail" genauer ein.

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Tragwerksmodelle der Stabstatik

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Doch in Zukunft könnten Schalentragwerke aus Ziegelsteinen wieder attraktiver werden und ihre Verbreitung zunehmen. Denn Wissenschaftler der TU Darmstadt haben im Rahmen des von der Forschungsinitiative ZukunftBau geförderten Projekts "Entwicklung von planaren Ziegelfertigteilen für die Herstellung von weitspannenden Schalentragwerken" ein Verfahren entwickelt, das eine kostengünstige Herstellung von mehrfach gekrümmten Ziegelschalen aus ebenen Fertigteilen ermöglicht.

Erst ein 3D-Computer-Modell

Um eine ausschließlich aus ebenen und viereckigen Modulen bestehende gewölbte sowie gekrümmte Form herzustellen, wurde der Entwurf und die Berechnungen der Ziegelschale in einem ersten Schritt in einem Computer-Modell durchgeführt. Entworfen wurde ein Prototyp von 15 Metern Länge und 11,5 Zentimetern Dicke mit mehrfach gekrümmter Geometrie als 3D-Modell. Mithilfe des Computer-Modells wurde das Tragwerk dann virtuell in Module unterteilt, die aus einer gleichbleibenden Anzahl an Ziegeln bestehen – allesamt viereckig und etwa einen Quadratmeter groß, allerdings mit unterschiedlichen Winkeln. Die Ziegel selbst wurden so entwickelt – ebenfalls erst am Computer, dass sie später im Fertigteil eine Längs- und Querbewehrung aufnehmen können. Zudem sollten sie sich später auf der Baustelle kraftschlüssig mit Hilfe eines "Übergreifungsstoßes" verbinden lassen.
Daraus kommt es zu folgendem Vorteil: Da keine einzelnen Ziegel mehr verbaut werden, sondern die vorgefertigten Module mit höherer Stabilität, ist auch der Aufbau einen vollflächigen Lehrgerüsts nicht mehr notwendig.

Stattdessen werden die Module über ein digital generiertes und direkt in den Fertigungsprozess übertragenes Lehrgerüst auf je vier Holzstiele aufgelegt, deren Querschnitte jeweils individuell geneigt sind. Die Eckpunkte der Fertigelemente werden unter Zuhilfenahme von digital erzeugten und gelaserten Abstandsschablonen fixiert. Und die sich dabei ergebenden Versätze der einzelnen Fertigteile wurden zur Aufnahme der durchgängigen Längsbewehrung zur Geometrieoptimierung erzeugt.

Wirtschaftliches Verfahren

Genau nach den digitalen Vorgaben wurden Ziegel und Module schließlich im Labor hergestellt und zu der am Computer entworfenen, gebogenen und gewölbten Gesamtkonstruktion zusammengesetzt. So wurde durch das Computer-Modell nicht nur der Entwurf und die Bemessung der Ziegelschale erleichtert, auch die Unterkonstruktion für den Bau des Tragwerks konnte über diese Vorgehensweise wirtschaftlich gestaltet werden.

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