Leicht Bauen mit Beton im Baublog

Herausforderungen für die Zukunft des Bauens

Sie wollen den Paradigmenwechsel für die Zukunft des Bauens herbeiführen

Bei einem ersten Treffen haben knapp 40 Spitzenforscher aus ganz Deutschland die Arbeit an einem Schwerpunktprogramm “Leicht Bauen mit Beton“ begonnen. In insgesamt 16 Projekten wollen die Forscher aus elf deutschen Hochschulen die Grundlagen für das Bauen der Zukunft erforschen. Die überregionale Kooperation führender Bauingenieure, Architekten, Maschinenbauer und Mathematiker soll dabei den Blick über den Tellerrand und Synergien beim Gedankenaustausch fördern.
“Form follows force” – die Form folgt dem Kraftfluss – ist das vielversprechende Motto, mit dem Details untersucht und letztendlich zu einem wegweisenden Ganzen zusammengefügt werden sollen. Dabei liefert die Natur zahlreiche Vorbilder für neuartige Baukonstruktionen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Schwerpunktprogramm, dessen erste dreijährige Phase jetzt beginnt, mit insgesamt rund 7 Mio. Euro. Zum Koordinator des Programms wählten die Forscher auf ihrem zweitägigen Treffen in Dresden Prof. Manfred Curbach vom Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden. Mit drei Fachprojekten leistet die TU Dresden auch inhaltlich einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen des Schwerpunktprogramms.
“Leicht Bauen mit Beton” sei eine Herausforderung, betonte Prof. Curbach und forderte einen Paradigmenwechsel: “Wir müssen uns von der Idee trennen, dass Beton etwas Schweres ist!” sagte er und wünschte sich ein Ende der Betonwüsten. Es gebe genug Beispiele, dass man auch mit Beton leicht und schön bauen könne. Dass dies die Regel und nicht die Ausnahme werde, sei ein Ziel des Schwerpunktprogramms.

Projektliste
(Sortierkriterium: Name des Antragstellers)

Effiziente Schalentragwerke aus funktional gradierten Betonfertigteilen – Zuschnittsoptimierung von räumlichen gekrümmten Betonfertigteilen unter Beachtung von Material- und Tragwerksaspekten mit numerischen Methoden der Topologieoptimierung
Prof. Dr.-Ing. K.-U. Bletzinger
Technische Universität München

Entwicklung neuartiger Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkselemente aus UHPC
Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann
TU Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
Prof. Dr.-Ing. Harald Kloft
TU Braunschweig, Institut für Tragwerksplanung

Dünnwandige Faltwerke aus zementbasierten Verbundwerkstoffen
Dr.-Ing. Rostislav Chudoba, Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
RWTH Aachen, Institut für Massivbau

Leichte Deckentragwerke aus geschichteten Hochleistungsbetonen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach
Technische Universität Dresden, Institut für Massivbau

Querschnittsadaption für stabförmige Druckbauteile
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach
Technische Universität Dresden, Institut für Massivbau

Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Empelmann
Technischen Universität Braunschweig, Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)

Formoptimierte, filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke
Prof. Dr. Oliver Fischer, Dr. Roland Niedermeier
Technische Universität München, Lehrstuhl für Massivbau

Effiziente Schalentragwerke aus funktional gradierten Betonfertigteilen – Funktionale Gradierung, Schalungs- und Herstelltechnologie unter Berücksichtigung der Segmenttopologie
Prof. Dr.-Ing. C. Gehlen
Technische Universität München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung

Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile
Prof. Dr.-Ing. Carl-Alexander Graubner
TU Darmstadt, Fachgebiet Massivbau
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Knaack
HS Ostwestfalen-Lippe, Lehrgebiet Entwerfen und Konstruieren

Sandwichkonstruktionen aus dünnen gefalteten und gekrümmten Betondeckschichten
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger
RWTH Aachen, Institut für Massivbau

Konstruktion und Optimierung von Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus ultrahochfestem Beton
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Christian Kohlmeyer
Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Bauingenieurwesen
Priv.-Doz. Dr. Heiko Andrä
Fraunhofer ITWM und TU Kaiserlautern, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Flexible mehrschichtige GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken
Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll, Dr.-Ing.Sandra Gelbrich
TU Chemnitz, Professur Strukturleichtbau/Kunststoffverarbeitung

Kraftadaptive Diskretisierung leichter Betonbauteile mittels liniengeometrischer Modellierung
Prof. Dr.-Ing. Daniel Lordick, Prof. Dr. Gunter Weiss
Technische Universität Dresden, Institut für Geometrie, Fachrichtung Mathematik

Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke
Prof. Dr.-Ing. Peter Mark
Ruhr-Universität Bochum, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
Technische Universität Kaiserslautern, Bauingenieurwesen

Leichte Platten aus Beton mit biaxialem Lastabtrag als bionische Strukturen – Steifigkeitsgerechtes Konstruieren nach biologischen Vorbildern
Martina Schnellenbach-Held, Prof. Dr.-Ing., Universitätsprofessorin (C4)
Universität Duisburg-Essen, Institut für Massivbau

Automatisierte adaptive Schalungsmethoden zur Herstellung von Betonbauteilen mit gekrümmten Oberflächen
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Werner Sobek
Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Universität Stuttgart

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ELiSE hilft Bauingenieuren

Vorbilder für den Leichtbau

Die Idee ist nicht ganz neu, aber konsequent angewandt wird sie noch nicht: sich in der Natur Vorbilder fürs Bauen zu suchen. Über die sinnvolle Verknüpfung von Bionik und Bauwesen spricht am 28. Oktober im Rahmen des Seminars für Bauwesen Dr. Christian Hamm-Dubischar über “Planktonorganismen als Vorbilder für den Leichtbau”.

Die bioimineralisierten Schalen einzelliger Planktonorganismen (z.B. Kieselalgen und Radiolarien) sind hervorragend konstruierte stabile Leichtbaukonstruktionen. Weil ca. 100.000 verschiedene Arten mit jeweils unterschiedlichen Leichtbaugeometrien verfügbar sind, kann dieser Pool auch für technische Strukturen aus unterschiedlichen Branchen (u.a. Automobilindustrie, Maschinenbau, Bauingenieurwesen) eingesetzt werden. Hierfür wurde das Verfahren ELiSE (Evolutionary Light Structure Engineering) entwickelt, das das Leichtbaupotenzial dieser effizienten, natürlichen Strukturen systematisch nutzt.

Eine Nutzung vieler unterschiedlicher Leichtbauprinzipien ist interessant, weil Leichtbaukonstruktionen für konkrete technische Aufgabenstellungen durch sehr unterschiedliche Geometrien gelöst werden können. Dieses “Optimierungsgebirge” verdeutlicht gleichzeitig eine Schwierigkeit der linearen Optimierungsverfahren wie Computer Aided Optimization (CAO) und Soft Kill Option (SKO) bzw. Topologie- und Gestaltoptimierung, nämlich dass durch eine iterative, lineare Optimierung wohl ein lokales, aber nicht das globale Optimum erreicht wird.

Im Verfahren ELiSE wird dagegen auf eine Datenbank aus konkreten, voroptimierten Leichtbaustrukturen zurückgegriffen, die eine effektive und schnelle Entwicklung diverser neuer Leichtbaulösungen ermöglichen. Unterstützt wird die technische Umsetzung durch Grundlagenforschung in den Bereichen Plankton-Evolution, Plankton-Biomechanik, Diatomeen-Taxonomie und genetische Algorithmen. Das Verfahren ELiSE wir am Beispiel der Enwicklung von Gründungsstrukturten für Offshore-Windenergieanlagen erläutert.

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Leicht Bauen mit Beton: Jetzt bewerben

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms (SPP) 1542 “Leicht Bauen mit Beton. Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit bionischen und mathematischen Entwurfsprinzipien” beschlossen. Als Laufzeit sind zwei dreijährige Förderperioden vorgesehen. Koordinator des SPP und Ansprechpartner für inhaltliche Rückfragen ist Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach vom Institut für Massivbau der TU Dresden. Das Schwerpunktprogramm 1542 ist jetzt auch im Internet präsent, dort gibt es auch Informationen zur Ausschreibung. Dort heißt es:

“Die Möglichkeit der freien Gestaltung begleitet und charakterisiert die Stahlbetonbauweise seit mehr als einem Jahrhundert, denn Beton ist vor seiner Erhärtung plastisch bis flüssig und kann nahezu jede beliebige Form im Erstarrungsprozess konservieren. Diese Möglichkeit wurde bereits in der Vergangenheit von Ingenieuren und Architekten genutzt. Herausragende Beispiele für leichtes Bauen mit Beton – schlanke Schalen, große Kuppeln, elegant gevoutete Brücken oder organische Bauten – blieben aber örtlich oder zeitlich solitär, nicht zuletzt durch den relativ großen Aufwand bei der Herstellung. Die Formensprache von gewöhnlichen Bauwerken aus Stahlbeton wurde besonders aus Kostengründen in den letzten Jahrzehnten immer einfacher, der Trend ging verstärkt zu ebenen Oberflächen und rechteckiger Geometrie.

Im Schwerpunktprogramm wird ein grundlegend neuer Ansatz verfolgt, um bei allen Bauwerken Leichtbau mit Beton betreiben zu können. Dabei erhalten maßgebende Konstruktionselemente wie Decken, Wände und Stützen ihre Geometrie nach dem Prinzip “form follows force” als Folge des gegebenen, aber durchaus auch beeinflussbaren Kräfteflusses im Bauteil selbst. Die geplante Forschung soll die theoretischen und konstruktiven Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Bau frei geformter und leichter Konstruktionen aus Beton bereitstellen.

Die vollständigen Anträge für die erste Förderperiode sind in elektronischer Form auf CD-ROM und in zweifacher, ungebundener, gelochter Ausfertigung bis spätestens 31. Oktober 2010 unter dem Stichwort “Leicht Bauen mit Beton (SPP 1542)” bei der DFG einzureichen. Ein weiteres Exemplar des Antrages ist in elektronischer Form direkt an den Koordinator des SPP zu senden. Die Begutachtung wird voraussichtlich im Januar/Februar 2011 stattfinden. Der genaue Termin wird rechtzeitig bekannt gegeben.”