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TP Chudoba/Hegger

Dünnwandige Faltwerke aus zementbasierten Verbundwerkstoffen

 



Kurzfassung

Das Ziel des Projektes ist die Bereitstellung einer Entwurfs- und Herstellmethodik für Faltwerke aus zementartigen Verbundwerkstoffen, bei der räumliche Tragstrukturen durch das Falten von ebenen, mit einem Faltmuster versehenen dünnwandigen Elementen entstehen. Die Elemente werden mit einer einfachen, flachen Schalung erstellt und durch das Falten in eine komplexe, räumliche Struktur überführt. In Anlehnung an den japanischen Begriff Origami (ori = Falten, gami = Papier) wurde der im Projekt konzipierten Entwurfs- und Herstellmethodik zum Falten von Beton (concrete) der Name Oricrete gegeben.

In der ersten Antragsphase wurden die Grundlagen für Entwurfs- und Herstellungsmethoden gelegt. Die konzipierten Herstellungsansätze und Simulationsmodelle wurden anhand von kleinmaßstäblichen Probekörpern und Prototypen untersucht und verifiziert. Ausgangspunkt der Entwicklung war das Yoshimura-Faltmuster, das zur Realisierung von einfach und doppelt gekrümmten Flächen verwendet wurde. Zur Unterstützung von Planung und Herstellung wurden Simulations- und Formfindungsmodelle formuliert und innerhalb eines allgemein konzipierten Optimierungsrahmens (Oricrete-Toolkit) implementiert

In der zweiten Antragsphase soll aufbauend auf den Ansätzen zur Herstellung und Modellierung eine umfassende Formgebungs- und Herstellmethodik bereitgestellt und anhand von Anwendungen demonstriert werden. Schwerpunkte liegen auf der Vereinfachung und Systematisierung des Entwurfs- und Fertigungsprozesses unter anderem durch Ausnutzung statisch bedingter Formfindungsansätze, der Erfassung des geometrisch und physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens der gefalteten Strukturen, sowie der Ausweitung des Anwendungsspektrums der Herstellmethode auf größere Abmessungen.


Bild 1: Teilziele zur Weiterentwicklung der konzipierten Entwurfs- und Herstellmethodik

Eine zielgerichtete Entwicklung von Oricrete Bauteilen und Produkten wird durch eine weitere Verkürzung der Iterationsschleifen und Korrekturzyklen in mehreren Stadien des Entwurfs- und Herstellungsprozesses erreicht (Abb. 1). Während für die innersten Zyklen der Formfindung und der Strukturanalyse mathematisch definierte Kriterien formuliert werden, wird für die äußeren Korrekturzyklen heuristisch erfasstes Know-how bereitgestellt. Hierzu zählen Spezifikationen zur Ausführung und Charakterisierung der Fugen, sowie der Herstellungsverfahren und Entscheidungshilfen zur Wahl der Faltmuster für konkrete Tragwerksformen. In den Abbildungen 2 sieht man eine mit der Oricrete-Methode hergestellte Tonnenschale, die mit einem Kran versetzt wird.


Bild 2: Dünnwandige Tonnenschale hergestellt durch Faltung [Foto: IMB]

Im ersten Jahr der 2. Förderphase (2015) konnte die Anwendbarkeit der Herstellmethodik auf größere Abmessungen getestet werden. Dazu wurden zwei Tonnenschalen als Demonstratoren gebaut und anschließend geprüft. Die Schalen wurden aus identischen Faltbetonplatten mit Abmessungen von 2,42 m x 3,00 m gefaltet. Für den Faltprozess der ersten Schale in Bild 2 wurden Seile und eine Unterstützungskonstruktion aus Spanten eingesetzt. Die Platte der zweiten Schale konnte mit Hilfe von Seilen und dem Eigengewicht gefaltet werden. Für die Feinjustierung der Form und die Fixierung wurden im jeweiligen Winkel der Faltkante gekantete Bleche eingesetzt.

Bild 3: Bike shell-ter

Im folgenden Jahr (2016) wurde als Ergebnis einer Konzeptstudie der sog. „Bike shell-ter“ gebaut, der in Bild 3 zu sehen ist. Mit diesem Entwurf konnten im Vergleich zu den Tonnenschalen deutlich spitzere Faltwinkel zwischen den Facetten realisiert werden. Ausgehend von einer identischen Grundplatte mit dem gleichen Faltmuster wie beim „Bike shell-ter“ wurde mit der „Canopy“-Schale in Bild 4 der Entwurfsraum auf doppelt gekrümmte Strukturen erweitert. Durch den Einbezug des Hängeprinzips, das auch Isler mit physikalischen Modellen für die Formfindung seiner Schalen einsetzte, konnte beim Entwurf und der Herstellung der Grundsatz des SPP „Form-Follows-Force“ umgesetzt werden.

Bild 4: Canopy-Schale

Videos aus dem Projekt zum Bau von gefalteten Strukturen

https://www.youtube.com/watch?v=2Qpfy-OzKq8

https://www.youtube.com/watch?v=zcb8Gjaps58

 

Projektleiter: Dr.-Ing. Rostislav Chudoba
rostislav.chudoba@rwth-aachen.de
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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
jhegger@imb.rwth-aachen.de
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Bearbeiter/in: Dipl.-Ing. Jan Dirk van der Woerd
jvanderwoerd@imb.rwth-aachen.de
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Projektlaufzeit: Förderphase 2 von 10/2014 bis 09/2017


Veröffentlichungen

- Zur Theorie und Simulation des Faltprozesses -

[1] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Finding new forms for bearing structures by use of origamics. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Hrsg.): Proceedings of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 22.−25.07.2012, Karlsruhe, Germany. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2012, S. 263−268
[2] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Computational model for simulation of rigid foldable origami structures. In: Zingoni, A. (Ed.): Research and Applications in Structural Engineering, Mechanics and Computation. Proceedings of the Fifth International Conference on Structural Engineering, Mechanics & Computations, 02.−04.09.2013 in Kapstadt (Südafrika), S. 299−301, Langfassung auf CD-ROM
[3] Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.: Modeling framework for design and manufacturing of folded shell structures. In: Obrebski, J.; Tarczewski, R. (Eds.): Beyond the limits of man. Proceedings of the IASS Symposium 2013, Breslau (Polen), 23.−27.09.2013, S. 189, Langfassung auf CD-ROM
[4] Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Schmerl, M.; Hegger, J.: ORICRETE: Modeling support for design and manufacturing of folded concrete structures. Advances in Engineering Software 72 (2013) 6, S. 119−127 −
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.advengsoft.2013.05.004
[5] Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.: Numerical modeling support for form-finding and manufacturing of folded plate structures made of cementitious composites using origami principles. In: Euro-C 2014. Computational Modelling of Concrete and Concrete Strucutres, St. Anton am Arlberg, Österreich, 24.−27.03.2014 (angenommen)
[6] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Entwurf und Herstellung von Faltwerken durch Faltung. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 60−69 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171612
[7] Chudoba, R.; van der Woerd, J. D.; Hegger, J.:  ORICREATE: Modeling framework for design and manufacturing of folded plate structures. In: Origami6 - Part II: Technology, Art, Education, Hrsg. Koryo Miura, Toshikazu Kawasaki, Tomohiro Tachi, Ryuhei Uehara, Robert J. Lang and Patsy Wang-Iverson, American Mathematical Society, 2015, S.523- 536 - ISBN-10: 1-4704-1876-2.


- Zur praktischen Umsetzung und Anwendungsbeispiele -

[1] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.:  Gestaltung von dünnwandigen Faltwerken aus zementbasierten Verbundwerkstoffen nach der Oricrete-Methodik. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium in Bochum, 07.−08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 77−82
[2] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Singly-curved shell structure made of textile-reinforced concrete plate using a folding technique. In: Obrebski, J. ; Tarczewski, R. (Eds.): Beyond the limits of man. Proceedings of the IASS Symposium 2013, 23.−27.09.2013 in Breslau (Polen), S. 342, Langfassung auf CD-ROM
[3] van der Woerd, Jan Dirk; Chudoba, Rostislav; Hegger, Josef: Gefaltete Strukturen − Origami für Textilbeton. In: TUDALIT e.V. (Hrsg.): Magazin Nr. 9 zur 5. Anwendertagung Textilbeton am 24.–25.09.2013 in Friedrichshafen, S. 19
[4] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Scholzen, A.; Hegger, J.: Oricrete – Eine Entwurfs- und Herstellmethodik für dünnwandige Faltwerke aus zementbasierten Verbundwerkstoffen. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 774−782
[5] van der Woerd, J. D.; Bongardt, Ch.; Kolodzie, M.; Chudoba, R.; Hegger, Josef: Oridome – Das Prinzip der Vielfaltigkeit: Konzept für eine gefaltete Kuppel aus Textilbeton. BWI BetonWerk International (2014) 1, S. 30−38
[6] van der Woerd, J. D.; Stark, A.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Concrete light − Origami-based folded strucutres and prestressed sandwich shell beams / Leicht Bauen mit Beton − Origami-basierte Faltwerke und vorgespannte Sandwich-Schalenträger. In: Smart Concretes / Intelligente Betone: 58. Ulmer Betontage, 18.-20.02.2014 − BFT international : concrete plant + precast technology 80 (2014) 2, S. 27−29
[7] van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Folded bike shell-ter: Application of oricrete design and manufacturing method. In: "Spatial Structures in the 21st Century". Proceedings of the IASS Annual Symposium 2016, Tokyo, Japan, 26.−30.09.2016. full text on USB stick
[8] Chudoba, R.; Claßen, M.; Hegger, J.; Rempel, S.; Stark, A.; Will, N.; van der Woerd, J. (2016) Bauen mit Betonfertigteilen - Forschungsansätze für "das Bauen von morgen". In: RWTH Themen - Production Engineering, Ausgabe 1/2016, S. 26-31 - ISSN-Nr. 0179-079X.
[9] Chudoba, R.; Hegger, J.; Scholzen, A.; Sharei, E.; Stark, A.; Will, N.; van der Woerd, J. (2015) Die Leichtigkeit des Betons - Dünnwandige Schalentragwerke aus hochleistungsfähigen zementartigen Verbundwerkstoffen. In: RWTH Themen - Bauingenieurwesen, Ausgabe 2/2015, S.42-45 - ISSN-Nr. 0179-079X.
[10] Scheerer, S.; Chudoba, R.; Garbaldi, M. P.; Curbach, M.: Shells made of textile reinforced concrete – applications in Germany. In: Journal of the international association for shell and spatial structures: IASS, Vol.58 No. 1 March 2017 S. 79-93 ISSN-Nr. 1996-9015.
[11] Van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Design and construction of a thin barrel vault by folding. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-527713, 13 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick)
[12] Van der Woerd, J. D.;Bonfig, C.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Construction of a vault using folded segments made out of textile reinforced concrete by fold-in-fresh In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2017, 25.–28.9.2017 in Hamburg (Germany) 09/2017 (published on USB stick)
[13] Van der Woerd, J. D.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Canopy – Doubly Curved Folded Plate Structure. In: High Tech Concrete: Where Technology and Engineering meet, D.A. Hordijk and M. Luković (eds.), Springer International Publishing AG 2018. DOI 10.1007/978-3-319-59471-2_286 (published on USB stick)
[14] Van der Woerd, J. D.; Geßner, S.; Chudoba, R.; Hegger, J.: Design, construction and strengthening of shell structures made by folding. In:  39th IABSE Symposium – Engineering the Future September 21-23 2017, Vancouver, Canada. 09/2017 (published on USB stick)


Studentische Arbeiten in Förderphase 2

[a] Ringe, T.: Entwicklung und Implementierung eines Moduls zur Unterstützung der numerischen Analyse von „Oricrete“ Strukturen. Bachelorarbeit, Wintersemester 2014/2015
[b] Boecker, S.: Experimentelle Untersuchungen zur Verstärkung von gefalteten Strukturen mit zusätzlichen Schichten Textilbeton. Bachelorarbeit, Wintersemester 2015/2016
[c] Hartmann, F.: Experimentelle Ermittlung mechanischer Kennwerte von dünnen Textilbetonplatten. Bachelorarbeit, Wintersemester 2015/2016
[d] Alsewailem, F.: Experimentelle Ermittlung mechanischer Kennwerte von verfugten Faltkanten. Bachelorarbeit, Wintersemester 2015/20165
[e] Flunkert, L.: Numerische und experimentelle Untersuchung einer doppelt gekrümmten gefalteten Schalte. Masterarbeit, Sommersemester 2016
[f] Bonfig, C.: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Verbindung von gefalteten Betonbauteilen. Masterarbeit, Sommersemester 2016
[g] Weber, P.: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Einbringung von Vorspannung in gefaltete Strukturen aus dünnen Textilbetonplatten. Masterarbeit, Sommersemester 2016